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KR102316170B1 - Electrode protection using a composite comprising an electrolyte-inhibiting ion conductor - Google Patents

Electrode protection using a composite comprising an electrolyte-inhibiting ion conductor Download PDF

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KR102316170B1
KR102316170B1 KR1020167025464A KR20167025464A KR102316170B1 KR 102316170 B1 KR102316170 B1 KR 102316170B1 KR 1020167025464 A KR1020167025464 A KR 1020167025464A KR 20167025464 A KR20167025464 A KR 20167025464A KR 102316170 B1 KR102316170 B1 KR 102316170B1
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트레이시 얼 켈리
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차리클레어 스코딜리스-켈리
베로니카 지 바이너
발라 산카란
마트 요한 테르
뤼디거 슈미트
홀거 슈나이더
클라우스 라이트너
외른 쿨리쉬
마리나 사폰트-셈페레
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시온 파워 코퍼레이션
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Abstract

전극을 보호하기 위한, 이온-전도성 물질 및 중합체 물질(예컨대, 세퍼레이터)을 포함하는 복합체 구조체가 일반적으로 기재된다. 상기 이온-전도성 물질은 중합체 세퍼레이터에 결합된 층의 형태로 존재할 수 있다. 상기 이온-전도성 물질은, 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함할 수 있다.Composite structures comprising an ion-conducting material and a polymeric material (eg, a separator) for protecting an electrode are generally described. The ion-conducting material may be in the form of a layer bonded to the polymer separator. The ion-conducting material may include lithium oxysulfide having a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm.

Description

전해질-억제 이온 전도체를 포함하는 복합체를 사용한 전극 보호{ELECTRODE PROTECTION USING A COMPOSITE COMPRISING AN ELECTROLYTE-INHIBITING ION CONDUCTOR}ELECTRODE PROTECTION USING A COMPOSITE COMPRISING AN ELECTROLYTE-INHIBITING ION CONDUCTOR

전극을 보호하기 위한, 이온-전도성 물질 및 중합체 물질(예컨대, 세퍼레이터)를 포함하는 복합체 구조체가 일반적으로 기재된다.Composite structures comprising an ion-conducting material and a polymeric material (eg, a separator) for protecting an electrode are generally described.

재충전성 일차 전기화학 전지는 종종 전기활성 표면을 보호하기 위해서 하나 이상의 보호 층을 포함한다. 구체적인 보호 층(들)에 따라, 보호 층(들)은 하부 전기활성 표면을, 전기화학 전지 내의 전해질 및/또는 기타 구성요소(component)와의 상호작용으로부터 격리시킨다. 하부 전극의 적절한 보호를 제공하기 위해서, 보호 층(들)은 연속적으로 하부 전극을 덮고 최소 수의 결함을 나타내는 것이 바람직하다. 보호 층(들)을 형성하기 위한 기법이 존재하지만, 전기화학 전지의 성능을 개선하는 보호 층(들)의 형성을 허용하는 방법이 유리하다.Rechargeable primary electrochemical cells often include one or more protective layers to protect the electroactive surface. Depending on the specific protective layer(s), the protective layer(s) isolates the underlying electroactive surface from interaction with the electrolyte and/or other components in the electrochemical cell. In order to provide adequate protection of the lower electrode, it is preferred that the protective layer(s) continuously cover the lower electrode and exhibit a minimum number of defects. While techniques exist for forming the protective layer(s), methods that allow the formation of the protective layer(s) that improve the performance of the electrochemical cell are advantageous.

전극을 보호하기 위한, 이온-전도성 물질 및 중합체 물질(예컨대, 세퍼레이터)을 포함하는 복합체 구조체가 일반적으로 기재된다. 관련된 시스템 및 방법이 일반적으로 기재된다. 이온-전도성 물질은 보호된 전극과 전해질 사이에서의 상호작용을 억제할 수 있다. Composite structures comprising an ion-conducting material and a polymeric material (eg, a separator) for protecting an electrode are generally described. Related systems and methods are generally described. The ion-conducting material can inhibit the interaction between the protected electrode and the electrolyte.

한 세트의 실시양태에서, 전기화학 전지가 기재된다. 전기화학 전지는, 예를 들면, 전기활성 물질로서 리튬을 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체를 포함할 수 있다. 상기 복합체는, 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 약 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층을 포함한다. 상기 이온 전도체 층은 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는다. 상기 이온 전도체 층은 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 이온 전도체 층은 0.001:1 내지 1.5:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다. In one set of embodiments, an electrochemical cell is described. An electrochemical cell can include, for example, a first electrode comprising lithium as the electroactive material, a second electrode, and a composite positioned between the first and second electrodes. The composite includes a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least about 10 4 Ohm-meters, and an ionic conductor layer coupled to the separator. The ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm. said ion conductor layer comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20 wt. %, and/or said ion conductor layer contains oxygen atoms to sulfur atoms (O:S) atoms in the range of 0.001:1 to 1.5:1. lithium oxysulfide having a ratio.

한 세트의 실시양태에서, 전기화학 전지가 기재된다. 전기화학 전지는, 예를 들면, 전기활성 물질로서 리튬을 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체를 포함할 수 있다. 상기 복합체는, 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 약 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층을 포함한다. 상기 이온 전도체 층은 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는다. 상기 이온 전도체 층은 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 이온 전도체 층은 0.5:1 내지 1000:1범위의 황 원자 대 산소 원자(S:O)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다. In one set of embodiments, an electrochemical cell is described. An electrochemical cell can include, for example, a first electrode comprising lithium as the electroactive material, a second electrode, and a composite positioned between the first and second electrodes. The composite includes a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least about 10 4 Ohm-meters, and an ionic conductor layer coupled to the separator. The ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm. The ion conductor layer comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20 wt. %, and/or the ion conductor layer contains an atom of sulfur to oxygen (S:O) in the range of 0.5:1 to 1000:1. lithium oxysulfide having a ratio.

전기화학 전지는, 예를 들면, 전기활성 물질로서 리튬을 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체를 포함할 수 있다. 상기 복합체는, 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 약 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층을 포함한다. 상기 이온 전도체 층은 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는다. 상기 이온 전도체 층은 1:1 내지 100:1의 황:산소의 원자 비를 포함한다.An electrochemical cell can include, for example, a first electrode comprising lithium as the electroactive material, a second electrode, and a composite positioned between the first and second electrodes. The composite includes a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least about 10 4 Ohm-meters, and an ionic conductor layer coupled to the separator. The ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm. The ion conductor layer comprises an atomic ratio of sulfur:oxygen from 1:1 to 100:1.

전기화학 전지는, 예를 들면, 전기활성 물질로서 리튬을 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체를 포함할 수 있다. 상기 복합체는, 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 약 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층을 포함한다. 상기 이온 전도체 층은 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는다. 이온 전도체 층은 0.001:1 내지 1.5:1, 예컨대 0.01:1 내지 0.25:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다. An electrochemical cell can include, for example, a first electrode comprising lithium as the electroactive material, a second electrode, and a composite positioned between the first and second electrodes. The composite includes a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least about 10 4 Ohm-meters, and an ionic conductor layer coupled to the separator. The ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm. The ion conductor layer comprises lithium oxysulfide having an atomic ratio of oxygen atoms to sulfur atoms (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1, such as 0.01:1 to 0.25:1.

전기화학 전지가 리튬-황 전지인 전기화학 전지(바람직하게는 전술된 전기화학 전지)는, 예를 들면, 리튬을 포함하는 제 1 전극, 황을 포함하는 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배열된 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합된 고체 이온 전도체를 포함할 수 있으며, 이때 상기 고체 이온 전도체는 리튬-이온 전도성 옥시설파이드를 포함한다.The electrochemical cell (preferably the electrochemical cell described above) in which the electrochemical cell is a lithium-sulfur cell includes, for example, a first electrode comprising lithium, a second electrode comprising sulfur, the first electrode and the a separator arranged between the second electrode, and a solid ionic conductor contacting and/or bonded to the separator, wherein the solid ionic conductor comprises a lithium-ion conductive oxysulfide.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층은, 하나 초과의 이온 전도체 층을 포함하는 다층화된 구조체의 일부이다. 일부 예에서, 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층은 상이한 물질로 형성된다. 다른 예에서, 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층은 동일한 물질로 형성된다. 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층은 제 1 전극 및 세퍼레이터 각각과 직접 접촉될 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ionic conductor layer comprising lithium oxysulfide is part of a multilayered structure comprising more than one ion conductor layer. In some examples, two or more layers of the multilayered structure are formed of different materials. In another example, two or more layers of the multilayered structure are formed of the same material. The ion conductor layer comprising lithium oxysulfide may be in direct contact with each of the first electrode and the separator.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 5 마이크론 내지 40 마이크론의 두께를 갖는다. 세퍼레이터는 1010 Ohm 미터 이상, 예컨대, 1010 Ohm 미터 내지 1015 Ohm 미터 이상의 벌크 전자 저항률을 가질 수 있다. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the separator has a thickness of between 5 microns and 40 microns. The separator may have a bulk electronic resistivity of 10 10 Ohm meters or greater, such as 10 10 Ohm meters to 10 15 Ohm meters or greater.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터는 고체형 중합체 세퍼레이터이다. 일부 경우에서, 상기 세퍼레이터는, 세라믹 또는 유리질/세라믹 물질을 포함하는 충전제와 중합체 결합제의 혼합물을 포함하는 고체이다. 특정 실시양태에서, 상기 세퍼레이터는 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤(Kapton)(등록상표))(노멕스(NOMEX)(등록상표))(케블라(KEVLAR)(등록상표))), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함한다. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the separator is a solid polymer separator. In some cases, the separator is a solid comprising a mixture of a polymeric binder and a filler comprising a ceramic or glassy/ceramic material. In certain embodiments, the separator is poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide (such as polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly (hexamethylene adipamide) (nylon 66)), polyimides (such as polynitrile, and poly(pyromelitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton®) (Nomex) (NOMEX®) (KEVLAR®)), polyether ether ketone (PEEK), and combinations thereof.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 복합체는 세퍼레이터의 표면 상에 이온 전도체 층을 침착시키기 전에 플라즈마로 세퍼레이터의 표면을 처리함에 의해 형성된다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the composite is formed by treating the surface of the separator with a plasma prior to depositing an ion conductor layer on the surface of the separator.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 리튬 옥시설파이드는 화학식 x(yLi2S+zLi2O)+MS2(상기 식에서, M은 Si, Ge, 또는 Sn이다)을 가지며, 이때 y+z=1이고, x는 0.5 내지 3일 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the lithium oxysulfide has the formula x(yLi 2 S+zLi 2 O)+MS 2 , wherein M is Si, Ge, or Sn, wherein y+z=1, and x may be 0.5 to 3.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층은 무기 이온 전도체 물질의 0 중량% 내지 30 중량%의 유리 형성 첨가제를 포함한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ion conductor layer comprises 0% to 30% by weight of the glass forming additive of the inorganic ion conductor material.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층은 하나 이상의 리튬 염을 포함한다. 리튬 염은, 예를 들면 LiI, LiBr, LiCl, Li2CO3, 및/또는 Li2SO4를 포함할 수 있다. 하나 이상의 리튬 염을, 예컨대, 0 내지 50 몰%로 무기 이온 전도체 물질에 첨가할 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ion conductor layer comprises one or more lithium salts. Lithium salts may include, for example, LiI, LiBr, LiCl, Li 2 CO 3 , and/or Li 2 SO 4 . One or more lithium salts may be added to the inorganic ion conductor material, for example, from 0 to 50 mole %.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 5 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 0.5 마이크론 이하, 0.05 내지 5 마이크론, 또는 0.1 내지 0.3 마이크론의 평균 공극 크기를 갖는다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the separator has an average pore size of 5 microns or less, 1 micron or less, 0.5 microns or less, 0.05-5 microns, or 0.1-0.3 microns.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층은 2 마이크론 이하, 1.5 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 800 nm 이하, 600 nm 이하, 또는 400 nm 내지 600 nm의 두께를 갖는다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ion conductor layer has a thickness of 2 microns or less, 1.5 microns or less, 1 micron or less, 800 nm or less, 600 nm or less, or 400 nm to 600 nm.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 복합체는 25℃에서 10-5 S/cm 이상, 10-4 S/cm 이상, 또는 10-3 S/cm 이상의 리튬 이온 전도도를 갖는다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the composite has a lithium ion conductivity at 25°C of at least 10 −5 S/cm, at least 10 −4 S/cm, or at least 10 −3 S/cm.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층의 두께 : 세퍼레이터의 평균 공극 크기의 비는 적어도 1.1:1, 적어도 2:1, 적어도 3:1 또는 적어도 5:1이다. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ratio of the thickness of the ion conductor layer to the average pore size of the separator is at least 1.1:1, at least 2:1, at least 3:1, or at least 5:1.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 세퍼레이터와 이온 전도체 층 사이의 접착 강도는 350 N/m 이상 또는 500 N/m 이상이다. 일부 예에서, 세퍼레이터와 이온 전도체 층 사이의 접착 강도는 표준 ASTM D3359-02에 따른 테이프 시험을 통과한다. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the adhesive strength between the separator and the ion conductor layer is at least 350 N/m or at least 500 N/m. In some instances, the adhesive strength between the separator and the ion conductor layer passes the tape test according to standard ASTM D3359-02.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 제 1 전기활성 물질은 리튬을 포함하고, 예컨대, 제 1 전기활성 물질은 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제 2 전극은 제 2 전기활성 물질로서 황을 포함한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the first electroactive material comprises lithium, eg, the first electroactive material may comprise lithium metal and/or a lithium alloy. In some cases, the second electrode comprises sulfur as the second electroactive material.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체는 전자 빔 증발법 또는 스퍼터링 공정에 의해 세퍼레이터에 침착된다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the ion conductor is deposited on the separator by an electron beam evaporation method or a sputtering process.

한 세트의 실시양태에서, 본원에 기재된 전기화학 전지는, 리튬을 포함하는 제 1 전극, 황을 포함하는 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배열된 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합된 고체 이온 전도체를 포함하는 리튬-황 전지로서, 상기 고체 이온 전도체는 리튬-이온 전도성 옥시설파이드를 포함한다.In one set of embodiments, an electrochemical cell described herein comprises a first electrode comprising lithium, a second electrode comprising sulfur, a separator arranged between the first electrode and the second electrode, and the separator disposed therebetween. A lithium-sulfur battery comprising a contacted and/or bonded solid ionic conductor, the solid ionic conductor comprising a lithium-ion conductive oxysulfide.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 고체 이온 전도체는 리튬 옥시설파이드를 포함한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the solid ionic conductor comprises lithium oxysulfide.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 고체 이온 전도체는 0.001:1 내지 1.5:1, 예컨대 0.01:1 내지 0.25:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the solid ionic conductor has an atomic ratio of oxygen atoms to sulfur atoms (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1, such as 0.01:1 to 0.25:1. lithium oxysulfide with

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 고체 이온 전도체는 1 nm 내지 7 마이크론 범위의 두께를 갖는 층의 형태로 존재한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the solid ionic conductor is in the form of a layer having a thickness in the range of 1 nm to 7 microns.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터는 이온 전도성이며, 이때 상기 세퍼레이터의 평균 이온 전도도는 바람직하게는 25℃에서 10-7 S/cm 이상이다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the separator is ionically conductive, wherein the average ionic conductivity of the separator is preferably at least 10 -7 S/cm at 25°C.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터와 접촉하는 고체 이온 전도체는 복합체를 구성하고, 이때 상기 복합체는 바람직하게는 5 마이크론 내지 40 마이크론의 두께를 갖는다. 상기 복합체는, 일부 실시양태에서, 자립형 구조체일 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the separator, and a solid ionic conductor in contact with the separator, constitute a composite, wherein the composite preferably has a thickness of from 5 microns to 40 microns. The composite may, in some embodiments, be a free-standing construct.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터 및 상기 세퍼레이터와 접촉하는 고체 이온 전도체 사이의 접착 강도는 350 N/m 이상이다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the adhesive strength between the separator and the solid ionic conductor in contact with the separator is at least 350 N/m.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 고체 이온 전도체는 상기 제 1 및 제 2 전극 중 하나에 대해 위치된다. 고체 이온 전도체는, 전기화학 전지 내에 존재하는 전해질과, 상기 고체 이온 전도체가 위치되는 전극의 상호작용을 억제하도록 배열될 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, said solid ionic conductor is positioned relative to one of said first and second electrodes. The solid ionic conductor may be arranged to inhibit interaction of the electrolyte present in the electrochemical cell with the electrode on which the solid ionic conductor is located.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 고체 이온 전도체는, 비정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드, 결정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드, 또는 비정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드와 결정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드의 혼합물, 예컨대, 비정질 리튬 옥시설파이드, 결정질 리튬 옥시설파이드, 또는 비정질 리튬 옥시설파이드와 결정질 리튬 옥시설파이드의 혼합물을 포함한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the solid ionic conductor comprises an amorphous lithium-ion conductive oxysulfide, a crystalline lithium-ion conductive oxysulfide, or an amorphous lithium-ion conductive oxysulfide and a crystalline lithium-ion conductive oxysulfide. mixtures of, for example, amorphous lithium oxysulfide, crystalline lithium oxysulfide, or mixtures of amorphous lithium oxysulfide and crystalline lithium oxysulfide.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 본 발명은, 예컨대 리튬 황 전지에서 전기화학 전지의 제 1 전극과 제 2 전극을 분리시키기 위한, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배열될 수 있는 복합체의 용도에 관한 것으로서, 상기 복합체는, 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합된 고체 이온 전도체로 구성되며, 이때 상기 고체 이온 전도체는 리튬-이온 전도성 옥시설파이드를 포함한다. 상기 고체 이온 전도체는 전기화학 전지 내에 존재하는 전해질과 상기 전기화학 전지의 상기 전극들 중 하나와의 상호작용을 억제하도록 배열될 수 있다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the present invention may be arranged between a first electrode and a second electrode, such as for separating a first electrode and a second electrode of an electrochemical cell in a lithium sulfur cell. To the use of a composite comprising: a separator, and a solid ionic conductor in contact with and/or bonded to the separator, wherein the solid ionic conductor comprises lithium-ion conductive oxysulfide. The solid ionic conductor may be arranged to inhibit interaction of an electrolyte present in the electrochemical cell with one of the electrodes of the electrochemical cell.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 복합체는, 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합되는 고체 이온 전도체로 구성되고, 이때 상기 고체 이온 전도체는 리튬-이온 전도성 옥시설파이드를 포함한다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the composite consists of a separator and a solid ionic conductor contacting and/or bonded to the separator, wherein the solid ionic conductor comprises a lithium-ion conductive oxysulfide. do.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 본 발명은 또한, 세퍼레이터를 제조 또는 제공하는 단계, 상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시키는 단계, 전기화학 전지의 추가의 구성 요소(building element)를 제공하는 단계, 및 전기화학 전지를 조립하는 단계를 포함하는, 전기화학 전지의 제조 방법에 관한 것이다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the present invention also relates to the steps of making or providing a separator, contacting and/or bonding a solid ionic conductor to said separator, further components of the electrochemical cell ( building element) and assembling the electrochemical cell.

본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시키는 것은, 이온 전도체 물질을 세퍼레이터 표면 상에 침착시킴에 의해 달성된다. 본원에 기재된 전기화학 전지에 관한 일부 실시양태에서, 상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시킴에 의해 수득된 중간체 생성물은 자립형 구조체인 복합체이다.In some embodiments of the electrochemical cells described herein, contacting and/or bonding a solid ionic conductor to the separator is accomplished by depositing an ionic conductor material on the separator surface. In some embodiments of the electrochemical cells described herein, the intermediate product obtained by contacting and/or bonding a solid ionic conductor to the separator is a composite that is a free-standing structure.

상기 정의된 실시양태의 양태들의 구체적 특징들이 이후 본원에서 더욱 상세하게 예시되고 논의된다. Specific features of aspects of the above-defined embodiments are hereinafter illustrated and discussed in greater detail herein.

본 발명의 다른 장점 및 신규한 특징은, 첨부된 도면과 연계하여 고려되는 경우 후술되는 본 발명의 비제한적 실시양태의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 본 명세서 및 본원에 참고로 인용된 문헌이 상충적 및/또는 불일치 개시내용을 포함하는 경우, 본 명세서가 우선할 것이다.Other advantages and novel features of the present invention will become apparent from the following detailed description of non-limiting embodiments of the invention when considered in conjunction with the accompanying drawings. In the event of conflicting and/or inconsistent disclosures between this specification and documents incorporated herein by reference, this specification shall control.

본 발명의 비제한적 실시양태는, 개략적이며 축척식 작도로 의도되지 않는 첨부된 도면을 참고하여 예시적으로 기재될 것이다. 도면에서, 예시된 각각이 동일 또는 거의 동일한 구성요소는 전형적으로 단일 숫자로 표시된다. 명확성을 위해, 모든 구성요소가, 모든 도면에서 라벨링된 것은 아니며, 또한 당업자가 본 발명을 이해하는데 예시가 필수적이지 않은 본 발명의 각각의 실시양태의 모든 구성요소가 도시되지는 않는다. 도면에서:
도 1은, 한 세트의 실시양태에 따른, 이온 전도체 층 및 세퍼레이터 층을 포함하는 복합체 구조체를 포함하는 전기화학 전지의 예시적 개략도이다.
도 2는 일부 실시양태에 따른, 구불구불한 홀(hole) 경로를 포함하는 자립형 세퍼레이터 필름의 예시적 개략도이다.
도 3은 일부 실시양태에 따른, 이온 전도체 층으로 코팅된 다공성 세퍼레이터의 예시적 개략도이다.
도 4a, 4b, 및 4c는 상업용 세퍼레이터 상에 침착된 세라믹 코팅의 예시적 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 5는, 다양한 무기 이온 전도체-세퍼레이터 복합체에 대한 공기 투과 시간 대 무기 이온 전도체 두께의 플롯이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Non-limiting embodiments of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, which are schematic and are not intended to be drawn to scale. In the drawings, each identical or nearly identical component illustrated is typically represented by a single number. In the interest of clarity, not all components are labeled in all drawings, nor are all components of each embodiment of the invention not shown, for which illustration is not essential to one of ordinary skill in the art to understand the invention. From the drawing:
1 is an exemplary schematic diagram of an electrochemical cell comprising a composite structure comprising an ion conductor layer and a separator layer, according to a set of embodiments.
2 is an exemplary schematic diagram of a freestanding separator film comprising a tortuous hole path, in accordance with some embodiments.
3 is an exemplary schematic diagram of a porous separator coated with an ion conductor layer, in accordance with some embodiments.
4A, 4B, and 4C are exemplary scanning electron microscope (SEM) images of a ceramic coating deposited on a commercial separator.
5 is a plot of air permeation time versus inorganic ion conductor thickness for various inorganic ion conductor-separator composites.

전극을 보호하기 위해, 이온-전도성 물질 및 중합체 물질(예컨대, 세퍼레이터)를 포함하는 복합체 구조체가 일반적으로 기재된다. 상기 이온-전도성 물질은 중합체 세퍼레이터에 결합된 층의 형태로 존재할 수 있다. 상기 이온-전도성 물질은, 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함할 수 있다.To protect the electrode, a composite structure comprising an ion-conducting material and a polymeric material (eg, a separator) is generally described. The ion-conducting material may be in the form of a layer bonded to the polymer separator. The ion-conducting material may include lithium oxysulfide having a lithium-ion conductivity of at least 10 −6 S/cm.

세라믹 또는 다른 무기 보호 물질(예컨대, 유리, 유리질-세라믹)의 층이 전기화학 전지의 작동 동안 전해질 물질과의 유해한 상호작용으로부터 전극(예컨대, 리튬 애노드)을 보호하기 위해 사용되어 왔다. 예를 들면, 이온 전도성 세라믹 및 이온 전도성 중합체의 교호 연속 층을 포함하는 보호된 리튬 애노드(PLA) 구조체가 사용되어 왔다. 특정한 경우, 이런 보호 전극 구조체는 비효과적일 수 있다. 예를 들면, 세라믹의 취성, 세라막 내부의 결함(defect), 및/또는 전해질에 노출 시 중합체에 의해 나타나는 팽창(swelling)은 보호 전극 구조체가 크랙을 일으키거나 또는 망실(failure)될 수 있게 한다. 이들 층의 계단식 망실은 세라믹에서의 내부 결함으로부터 발생될 수 있고, 이는 취급 및/또는 가공으로부터 존재할 수 있다. 이후 이는 전해질이 중합체 층으로 스며들어 팽창할 수 있게 한다. 이런 층의 팽창은 아래의 세라믹 층을 파괴하고, 전해질이 더욱 관통하여 더 많은 중합체 층을 팽창시킬 수 있다. 최종적으로 이는 모든 보호된 층을 파괴할 수 있고, 이는 전기화학 전지의 망실을 초래할 수 있다.Layers of ceramics or other inorganic protective materials (eg, glass, vitreous-ceramics) have been used to protect electrodes (eg, lithium anodes) from harmful interactions with electrolyte materials during operation of electrochemical cells. For example, protected lithium anode (PLA) structures comprising alternating successive layers of ionically conductive ceramic and ionically conductive polymer have been used. In certain cases, such a protective electrode structure may be ineffective. For example, the brittleness of the ceramic, defects within the ceramic membrane, and/or swelling exhibited by the polymer upon exposure to electrolyte may cause the protective electrode structure to crack or fail. . The cascading loss of these layers may result from internal defects in the ceramic, which may exist from handling and/or processing. This then allows the electrolyte to permeate into the polymer layer and swell. The expansion of this layer breaks the underlying ceramic layer, allowing the electrolyte to penetrate further and expand more of the polymer layer. Ultimately this can destroy all the protected layers, which can lead to the loss of the electrochemical cell.

상기 논의된 문제들을 언급하는 하나의 방식은, 실질적으로 팽창 또는 파단(break)되지 않는 물질 및/또는 구조체를 개발하는 것이다. 그러나, 이는 도전일 수 있다. 예를 들면, 이온 전도성인 많은 공지의 중합체는 다양한 전기화학 전지 전해질에서 상당히 팽창한다. 또한, 이는 세라믹 물질이 결함을 포함하지 않도록 이를 가공하는 것은 어려울 수 있고, 결함(예컨대, 크랙)의 발생 없이 이런 물질의 취급하는 것은 어렵다. 세라믹 물질은 보호 층(들)을 가로지른 이온 전도를 억제하지 않도록 충분한 이온 전도도를 또한 가져야 한다.One way to address the issues discussed above is to develop materials and/or structures that do not substantially expand or break. However, this can be a challenge. For example, many known polymers that are ionically conductive swell significantly in various electrochemical cell electrolytes. Also, it can be difficult to process ceramic materials so that they do not contain defects, and handling of such materials without the occurrence of defects (eg cracks) is difficult. The ceramic material should also have sufficient ionic conductivity so as not to inhibit ionic conduction across the protective layer(s).

비효과적 전극 보호 구조체에 대해 전술된 문제를 언급하게 위해 이용될 수 있는 본원에 기재된 하나의 방법은, 전극과의 전해질 상호작용을 억제하는 하나 이상의 이온 전도체(예컨대, 세라믹) 층과 함께 세퍼레이터의 형태일 수 있는 가요성 저-팽창성 중합체의 사용을 허용하는 구조체를 포함한다. 이온 전도체 층(들) 중 하나 이상은 본원에 상술된 복합체를 가로지른 충분한 이온 전도를 제공하는 리튬 옥시설파이드 물질을 포함할 수 있다.One method described herein, which may be used to address the aforementioned issues with regard to ineffective electrode protection structures, is in the form of a separator with one or more ion conductor (eg, ceramic) layers that inhibit electrolyte interaction with the electrode. structures that allow the use of flexible low-expansion polymers that may be One or more of the ion conductor layer(s) may comprise a lithium oxysulfide material that provides sufficient ionic conduction across the composites detailed herein.

세퍼레이터는, 평활하고(smooth) 얇은 이온 전도체 층이 침착될 수 있는 평활한 기재로서 작용할 수 있다. 이온 전도체 층의 침착 이전에, 세퍼레이터 표면은 이의 표면 에너지를 증진시키도록 처리될 수 있다. 세퍼레이터의 증가된 표면 에너지는, 후술되는 바와 같이, 세퍼레이터 표면이 처리되지 않은 경우와 비교 시에 이온 전도체 층과 세퍼레이터 사이의 접착성(예컨대, 결합)을 개선시킬 수 있다. 층들 사이의 증가된 접착성의 결과로서, 층의 박리 가능성이 감소될 수 있고, 이온 전도체 층의 기계적 안정성이 전지의 사이클링(cycling) 동안 개선될 수 있다. 또한, 세퍼레이터 및 이온 전도체 층은 둘다 전기화학 전지 내에 포함될 수 있고, 이온 전도체 층은 기재로부터 이형될 필요가 없다. 이온 전도체 층 이형의 회피는, 일부 경우에서, 이온 전도체 층의 기계적 일체성을 개선시킬 수 있다. 특정 실시양태에서, 생성된 이온 전도체 층-세퍼레이터 복합체는, 이것이 거친 캐쏘드에 대해 가압되는 전지에 위치되는 경우, 직면하는 기계적 응력에 저항하는 이온 전도체 층의 능력을 증진시킬 수 있다.The separator may act as a smooth substrate upon which a smooth, thin layer of ion conductor may be deposited. Prior to deposition of the ion conductor layer, the separator surface may be treated to enhance its surface energy. The increased surface energy of the separator can improve adhesion (eg, bonding) between the ion conductor layer and the separator as compared to when the separator surface is untreated, as described below. As a result of the increased adhesion between the layers, the possibility of delamination of the layers can be reduced, and the mechanical stability of the ion conductor layer can be improved during cycling of the cell. Further, both the separator and the ion conductor layer can be included in the electrochemical cell, and the ion conductor layer does not need to be released from the substrate. Avoiding release of the ion conductor layer may, in some cases, improve the mechanical integrity of the ion conductor layer. In certain embodiments, the resulting ion conductor layer-separator composite may enhance the ability of the ion conductor layer to resist the mechanical stress it encounters when placed in a cell that is pressed against a rough cathode.

또한, 가요성 세퍼레이터 물질의 사용을 포함하는 특정 구조체에서, 상기 구조체는, 치수 변화가 구조체에 도입되는 경우, 예컨대 팽창을 통해서, 다른 부정적인 기계적 영향의 기계적 망실, 예컨대 플라스틱 변형을 억제할 수 있다. 세퍼레이터 물질은 이온 전도성일 수 있거나 아닐 수 있고, 이는 다양한 세퍼레이터 물질(예컨대, 전해질에 노출 시에 팽창하거나 또는 팽창하지 않는 중합체)의 사용을 가능케 할 수 있다. 이온 전도체와 세퍼레이터의 이런 공간적 배향을 갖는 디자인의 채택에 의해 사용되는 물질에 대한 제약을 제거할 수 있고, 이는 이미 존재하는 물질들의 사용을 가능케 할 수 있다. 다른 장점이 이하에서 더욱 상세히 기재된다.Further, in certain structures involving the use of flexible separator materials, the structures can inhibit mechanical loss of other negative mechanical effects, such as plastic deformation, when dimensional changes are introduced into the structure, such as through expansion. The separator material may or may not be ionically conductive, which may allow the use of a variety of separator materials (eg, polymers that either expand or do not expand upon exposure to electrolyte). Adoption of a design with this spatial orientation of ion conductors and separators may remove restrictions on the materials used, which may enable the use of materials that already exist. Other advantages are described in more detail below.

도 1은, 한 세트의 실시양태에 따른 복합체 구조체 형태의 이온 전도체 및 세퍼레이터를 포함하는 전기화학 전지의 예시적 개략적 단면도이다. 도 1에서, 전기화학 전지 (101)는 제 1 전극 (102) 및 제 2 전극 (104)을 포함한다. 제 1 전극 (102)(및/또는 제 2 전극 (104))은 전기활성 물질을 포함한다. 특정 실시양태에서, 제 1 전극 (102) 내의 전기활성 물질은 리튬을 포함한다. 제 1 전극 (102)은 음(negative) 전극일 수 있고, 제 2 전극 (104)은 양(positive) 전극일 수 있다. 1 is an exemplary schematic cross-sectional view of an electrochemical cell including a separator and an ion conductor in the form of a composite structure according to a set of embodiments. 1 , the electrochemical cell 101 includes a first electrode 102 and a second electrode 104 . The first electrode 102 (and/or the second electrode 104 ) comprises an electroactive material. In certain embodiments, the electroactive material in the first electrode 102 comprises lithium. The first electrode 102 may be a negative electrode, and the second electrode 104 may be a positive electrode.

도 1의 예시적 실시양태에서, 전기화학 전지 (101)는 제 1 전극 (102)과 제 2 전극 (104) 사이에 세퍼레이터 (106)를 포함한다. 세퍼레이터 (106)는 전해질이 존재할 수 있는 공극 (108)을 포함할 수 있다. 세퍼레이터 및 이온 전도체 (112)는 복합체 구조체를 형성하고, 이들은 본원에 기재된 바와 같이 함께 결합되어 층들의 박리 또는 분리를 억제할 수 있다. 이온 전도체 (112)는 전해질과 전극 (102) 내부의 전기활성 물질의 상호작용을 억제할 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 전도체 (112)는 전해질과 전극 (102) 내부의 전기활성 물질의 상호작용을 실질적으로 저해한다. 전해질과 전극 (102) 내부의 전기활성 물질의 상호작용을 억제 또는 저해하는 것은, 전극 (102)이 전해질에 의해 열화되거나(degraded) 다르게는 작동불가하게 되는 정도를 감소시키거나 제거할 수 있다. 따라서, 이런 방식으로, 이온 전도체 (112)는 전기화학 전지 내부에서 보호 구조체로서 기능할 수 있다.In the exemplary embodiment of FIG. 1 , the electrochemical cell 101 includes a separator 106 between the first electrode 102 and the second electrode 104 . Separator 106 may include pores 108 in which electrolyte may be present. The separator and ion conductor 112 form a composite structure, which can be bonded together as described herein to inhibit delamination or separation of the layers. The ionic conductor 112 may inhibit interaction of the electrolyte with the electroactive material inside the electrode 102 . In certain embodiments, the ionic conductor 112 substantially inhibits interaction of the electrolyte with the electroactive material inside the electrode 102 . Inhibiting or inhibiting the interaction of the electrolyte with the electroactive material inside the electrode 102 can reduce or eliminate the extent to which the electrode 102 is degraded or otherwise rendered inoperable by the electrolyte. Thus, in this way, the ion conductor 112 can function as a protective structure inside the electrochemical cell.

도 1이 전기화학 전지를 도시하지만, 일부 실시양태에서는 도면에 도시된 모든 구성요소가 존재해야 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 예컨대, 본원에 기재된 물품 및 방법은 전기화학 전지의 구성요소(예컨대, 애노드 및/또는 캐쏘드 중 하나의 부재 하의 세퍼레이터 및 이온 전도체)만을 포함할 수 있다. 도 1에 도시되지 않은 다른 구성요소들은 일부 실시양태에서의 전기화학 전지에 포함될 수 있음을 또한 이해할 것이다. 하나의 예로서, 이온 전도체 층(예컨대, 무기 층 이온 전도체 층)은 하나 초과의 이온 전도체 층을 포함하는 다층화된 구조체의 일부일 수 있다. 다층화된 구조체의 2개 이상의 층(예컨대, 2개의 이온 전도체 층)은 상이한 물질 또는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 일부 경우에서, 다층화된 구조체의 층들 중 하나 이상은, 이하에서 더욱 상세하게 기재되는 리튬 옥시설파이드 물질을 포함할 수 있다. 다른 구성이 또한 가능하다. Although FIG. 1 depicts an electrochemical cell, it should be understood that in some embodiments not all components shown in the figure need to be present. For example, the articles and methods described herein may include only the components of an electrochemical cell (eg, a separator and an ionic conductor in the absence of one of the anode and/or cathode). It will also be understood that other components not shown in FIG. 1 may be included in the electrochemical cell in some embodiments. As one example, an ion conductor layer (eg, an inorganic layer ion conductor layer) can be part of a multilayered structure that includes more than one ion conductor layer. Two or more layers (eg, two ion conductor layers) of the multilayered structure may be formed of different materials or the same material. In some cases, one or more of the layers of the multilayered structure may include a lithium oxysulfide material, which is described in more detail below. Other configurations are also possible.

리튬이 전기활성 물질로서 기재된 어느 곳이든, 다른 적합한 전기활성 물질(본원의 다른 곳에 기재된 다른 것들을 포함함)이 치환될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 세라믹이 이온 전도체로서 기재된 어느 곳이든, 다른 이온 전도체 물질(본원의 다른 곳에 기재된 다른 것들을 포함함)이 사용될 수 있다.It should be understood that wherever lithium is described as an electroactive material, other suitable electroactive materials (including others described elsewhere herein) may be substituted. Also, wherever ceramics are described as ion conductors, other ion conductor materials (including others described elsewhere herein) may be used.

본원에 기재된 바와 같이, 세퍼레이터 층은 이온 전도체 층이 침착되는 중합체 매트릭스로서 사용될 수 있다. 하나의 예시적 제조 공정에 따르면, 도 2에 예시된 바와 같은 다공성 세퍼레이터 층 (500)이 제공된다. 다공성 세퍼레이터 층은 이온에 대해 전도성이거나 또는 비-전도성일 수 있다. 적합한 필름의 하나의 예는 상업적으로 입수가능한 다공성 세퍼레이터 층, 예컨대 배터리 세퍼레이터에서 사용되는 것들이다. 층을 통한 홀 경로는, 일부 실시양태에서 매우 구불구불한 형태일 수 있다. 특정 실시양태에서, 층을 통한 홀 경로는 층을 완전히 관통할 수 있다. 이런 자립형 층은 이후 이온 전도체(예컨대, 세라믹, 예컨대 리튬 옥시설파이드)로 코팅될 수 있다. As described herein, a separator layer may be used as a polymer matrix upon which an ion conductor layer is deposited. According to one exemplary manufacturing process, a porous separator layer 500 as illustrated in FIG. 2 is provided. The porous separator layer may be conductive to ions or non-conductive. One example of a suitable film is a commercially available porous separator layer, such as those used in battery separators. The hole path through the layer may in some embodiments be highly tortuous. In certain embodiments, the hole path through the layer may completely penetrate the layer. This free-standing layer may then be coated with an ionic conductor (eg, ceramic, such as lithium oxysulfide).

자립형 세퍼레이터를 이온 전도체 물질로 코팅하는 방법은 다른 보호 구조체의 제조 방법에 대해 많은 장점을 제공한다. 이들 중 첫번째는, 생성된 구조체가 캐리어 기재로부터 이형되어야 할 필요가 없다는 사실이다. 이는, 비용 절약 및 물질 감소를 제공할 뿐만 아니라, 이는 이형 단계 동안 깨지기 쉬운 이온 전도체 코팅의 손상 가능성을 회피한다. 둘째는, 세퍼레이터 표면에 이온 전도체 물질을 결합시키는 것은, 얇은 이온 전도체(예컨대, 세라믹) 코팅에 대한 기계적으로 안정한 플랫폼을 생성하여, 거친 캐쏘드에 대해 가압되는 전지에 위치되는 경우 직면하는 기계적 응력에 저항하는 코팅의 능력을 크게 증진시킨다. 셋째는, 이런 공정은 단일 챔버 펌프 다운(pump down)에서 달성될 수 있다. 침착 공정 동안 진공 챔버를 개방할 필요가 없는 것은 물질 취급을 최소화할뿐만 아니라 오염 기회를 감소시킨다. The method of coating the free-standing separator with an ionic conductor material offers many advantages over other methods of making protective structures. The first of these is the fact that the resulting structure does not have to be released from the carrier substrate. This not only provides cost savings and material reduction, but also avoids the possibility of damage to the fragile ionic conductor coating during the release step. Second, bonding the ionic conductor material to the separator surface creates a mechanically stable platform for the thin ionic conductor (eg, ceramic) coating to resist the mechanical stress encountered when placed in a cell that is pressed against a rough cathode. Greatly enhances the ability of the coating to resist. Third, this process can be accomplished in a single chamber pump down. Eliminating the need to open the vacuum chamber during the deposition process minimizes material handling as well as reduces the chance of contamination.

본원에 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서 이온 전도체 물질은 진공 침착 공정(예컨대, 스퍼터링, CVD, 열 또는 E-빔 증발)을 이용하여 세퍼레이터 층에 침착될 수 있다. 진공 침착은 평활하고 조밀하고 균질한 얇은 층의 침착을 허용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 두꺼운 층은 배터리의 내부 저항을 증가시키고, 배터리 방전 용량비(rate capability) 및 에너지 밀도를 저하시킬 수 있기 때문에, 무기 이온 전도체 물질의 얇은 층을 침착시키는 것이 바람직하다. As described herein, in some embodiments the ion conductor material may be deposited on the separator layer using a vacuum deposition process (eg, sputtering, CVD, thermal or E-beam evaporation). Vacuum deposition can allow for the deposition of a smooth, dense and homogeneous thin layer. In some embodiments, it is desirable to deposit a thin layer of inorganic ionic conductor material, since a thick layer can increase the internal resistance of the battery and lower the battery rate capability and energy density.

도 3의 구조체 (504)에서 예시적으로 도시된 바와 같이, 세퍼레이터 층 (500)(예컨대, 세퍼레이터)의 공극은 이온 전도체 (505)(예컨대, 세라믹)로 실질적으로 비충전된다. 세퍼레이터 층 공극의 전부 또는 일부가 무기 이온 전도체(예컨대, 세라믹)로 비충전된 실시양태에서, 이들 부분은 전기화학 전지에 위치되는 경우 전해질 용매로 충전될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온 전도체는 전기활성 물질 (510)(예컨대, 리튬)의 최종 층으로 코팅될 수 있다. 전기활성 물질 층은, 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 이온 전도성 층에 부착되도록 구성될 수 있다. 이 공정의 특정 실시양태에서, 에칭이 관여되지 않으며, 이는 상기 공정을 매우 신속하고 효율적으로 만들 수 있다.As illustratively shown in structure 504 of FIG. 3 , the voids of separator layer 500 (eg, separator) are substantially unfilled with ionic conductor 505 (eg, ceramic). In embodiments in which all or part of the separator layer pores are unfilled with an inorganic ionic conductor (eg, ceramic), these portions may be filled with an electrolyte solvent when placed in an electrochemical cell. In some embodiments, the ionic conductor may be coated with a final layer of electroactive material 510 (eg, lithium). The electroactive material layer may be configured to adhere to the ionically conductive layer, as described in more detail below. In certain embodiments of this process, no etching is involved, which can make the process very fast and efficient.

또한, 본원에 도시된 몇몇 도면들이 단일 이온 전도체 층을 예시하지만, 일부 실시양태에서 보호 구조체는 다중 이온 전도체 층(예컨대, 적어도 2, 3, 4, 5, 또는 6개의 이온 전도체 층)을 포함하여 다층화된 구조체를 형성함을 이해해야 한다. 하나의 예로서, 이온 전도체 층(예컨대, 무기 층 이온 전도체 층)은 하나 초과의 이온 전도체 층을 포함하는 다층화된 구조체의 일부일 수 있으며, 이때 다층화된 구조체의 2개 이상의 층(예컨대, 2개의 이온 전도체 층)은 상이한 물질로 형성된다. 다른 예에서, 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층(예컨대, 2개의 이온 전도체 층)은 동일한 물질로 형성된다. 일부 경우에서, 다층화된 구조체 층들 중 하나 이상은 리튬 옥시설파이드 물질을 포함할 수 있다. 다층화된 구조체는 임의적으로 중합체 층(예컨대, 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 또는 6개의 중합체 층)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 층은 2개 이상의 이온 전도체 층들 사이에 위치된다. 다층화된 구조체의 각각의 층은 독립적으로 이온 전도체 층 및/또는 중합체 층에 대해 본원에서 일반적으로 기재된 특징(예컨대, 두께, 전도도, 벌크 전자 저항률)을 갖는다.Also, although some figures shown herein illustrate a single ion conductor layer, in some embodiments the protective structure comprises multiple ion conductor layers (eg, at least 2, 3, 4, 5, or 6 ion conductor layers). It should be understood that this forms a multi-layered structure. As one example, an ion conductor layer (eg, an inorganic layer ion conductor layer) may be part of a multilayered structure comprising more than one ion conductor layer, wherein two or more layers (eg, two ions) of the multilayered structure conductor layers) are formed of different materials. In another example, two or more layers (eg, two ion conductor layers) of the multilayered structure are formed of the same material. In some cases, one or more of the multilayered structure layers may include a lithium oxysulfide material. The multilayered structure may optionally include polymer layers (eg, at least 1, 2, 3, 4, 5, or 6 polymer layers). In some embodiments, the polymer layer is positioned between two or more ion conductor layers. Each layer of the multilayered structure independently has characteristics (eg, thickness, conductivity, bulk electronic resistivity) generally described herein for the ion conductor layer and/or the polymer layer.

단일 이온 전도체 층을 포함하는 구조체에서, 이온 전도체 층(일부 실시양태에서 이는 리튬 옥시설파이드를 포함할 수 있음)은 제 1 전극 및 세퍼레이터 층의 각각의 전기활성 물질과 직접 접촉될 수 있다.In structures comprising a single ion conductor layer, the ionic conductor layer (which in some embodiments may comprise lithium oxysulfide) may be in direct contact with the respective electroactive material of the first electrode and separator layer.

본원에 기재된 바와 같이, 세퍼레이터 층의 표면 상에 이온 전도체를 배치시킴에 의한 보호 구조체의 형성에 관한 일부 실시양태에서, 이온 전도체와 세퍼레이터 층 사이의 결합 또는 접착 강도를 증가시키는 것이 바람직하다. 층들 사이의 증가된 접착성의 결과로서, 층들의 박리 가능성은 감소될 수 있고, 이온 전도체 층의 기계적 안정성은 전지의 사이클링 동안 개선될 수 있다. 예를 들면, 생성된 이온 전도체 층-세퍼레이터 복합체는, 거친 캐쏘드에 대해 가압되는 전지에 위치되는 경우 직면하는 기계적 응력에 저항하는 이온 전도체 층의 능력을 증진시킬 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층의 침착 이전에, 세퍼레이터 층의 표면은 세퍼레이터 층의 표면 에너지를 증가시키도록 처리(예컨대, 전처리 공정)될 수 있다. 세퍼레이터 층의 증가된 표면 에너지는, 세퍼레이터 표면이 처리되지 않은 경우와 비교 시에 이온 전도체 층과 세퍼레이터 사이의 개선된 접착성을 허용할 수 있다. As described herein, in some embodiments directed to the formation of a protective structure by disposing an ionic conductor on the surface of a separator layer, it is desirable to increase the bond or adhesive strength between the ion conductor and the separator layer. As a result of the increased adhesion between the layers, the likelihood of delamination of the layers can be reduced, and the mechanical stability of the ion conductor layer can be improved during cycling of the cell. For example, the resulting ion conductor layer-separator composite may enhance the ability of the ion conductor layer to resist the mechanical stress encountered when placed in a cell that is pressed against a rough cathode. Thus, in some embodiments, prior to deposition of the ion conductor layer, the surface of the separator layer may be treated (eg, a pretreatment process) to increase the surface energy of the separator layer. The increased surface energy of the separator layer may allow for improved adhesion between the ion conductor layer and the separator as compared to when the separator surface was not treated.

특정 실시양태에서, 이온 전도체 층의 두께 : 세퍼레이터의 평균 공극 직경의 비가 후술되는 특정 범위 내에 존재하는 경우 접착성이 증진된다. In certain embodiments, adhesion is enhanced when the ratio of the thickness of the ion conductor layer to the average pore diameter of the separator is within a specific range described below.

세퍼레이터 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해(즉, 세퍼레이터 층의 표면을 활성화시키기 위해), 다양한 방법들이 이용될 수 있다. 상기 방법은, 예를 들면, 이온 전도체 물질의 침착 이전에 세퍼레이터의 표면을 처리하는 전처리 단계를 포함할 수 있다. 특정 실시양태에서, 활성화 또는 전처리 단계는 세퍼레이터를 플라즈마의 공급원으로 처리하는 것을 포함한다. 예를 들면, 애노드 층 이온 공급원(ALS)이 플라즈마를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로, 애노드 층 이온 공급원은, 작업 가스(작업 가스)의 존재 하에 인가 전위(applied potential)에 의해 전자를 생성하는 것을 포함한다. 생성된 플라즈마는 추가의 이온 및 전자를 생성하고, 이는 표적 기판(예컨대, 세퍼레이터 층)을 향해 가속되어, 기재의 이온 폭격을 제공한다. 이런 세퍼레이터 층 기재의 폭격은 세퍼레이터 층의 표면 에너지를 증가시키고, 이어서 세퍼레이터와 이온 전도체 물질 사이의 접착성을 개선시키는 것이 따른다. To increase the surface energy of the separator layer (ie, to activate the surface of the separator layer), various methods can be used. The method may include, for example, a pretreatment step of treating the surface of the separator prior to deposition of the ion conductor material. In certain embodiments, the step of activating or pre-treating comprises treating the separator with a source of plasma. For example, an anode layer ion source (ALS) may be used to generate the plasma. In general, the anode layer ion source involves generating electrons by an applied potential in the presence of a working gas (working gas). The generated plasma generates additional ions and electrons, which are accelerated towards the target substrate (eg, separator layer), providing ion bombardment of the substrate. This bombardment of the separator layer substrate is followed by increasing the surface energy of the separator layer, which in turn improves the adhesion between the separator and the ion conductor material.

다양한 작업 가스는 표면 활성화 공정, 예컨대 플라즈마 처리 동안 사용될 수 있다. 일반적으로, 표면 활성화는, 공기, 산소, 오존, 이산화탄소, 카본일 설파이드, 이산화황, 아산화질소, 산화질소, 이산화질소, 질소, 암모니아, 수소, 프레온(예컨대, CF4, CF2Cl2, CF3Cl), 실란(예컨대, SiH4, SiH2(CH3)2, SiH3CH3), 및/또는 아르곤을 포함하는 하나 이상의 가스의 존재 하에 일어날 수 있다. A variety of working gases may be used during a surface activation process, such as plasma treatment. In general, the surface activation is air, oxygen, ozone, carbon dioxide, carbonyl sulfide, sulfur dioxide, nitrous oxide, nitric oxide, nitrogen dioxide, nitrogen, ammonia, hydrogen, freon (eg, CF 4 , CF 2 Cl 2 , CF 3 Cl ), silane (eg, SiH 4 , SiH 2 (CH 3 ) 2 , SiH 3 CH 3 ), and/or argon.

일반적으로, 플라즈마 처리는, 작업 가스 및/또는 표면을 이온화시키고, 일부 예에서, 표면 상에 활성화된 화학 작용기를 형성 또는 침착시킴에 의해 세퍼레이터의 표면을 개질한다. 특정 실시양태에서, 세퍼레이터 층의 표면 상에서의 특정 작용기의 활성화는 세퍼레이터 층과 이온 전도체 물질 사이의 결합을 개선할 수 있다. 특정 실시양태에서, 활성화된 작용기는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 카복실레이트(예컨대, -COOH), 티올(예컨대, -SH), 알코올(예컨대, -OH), 아실(예컨대, -CO), 설폰닉 및/또는 설폰산(예컨대, -SOOH 또는 -SO3H), 아민(예컨대, -NH2), 산화질소(예컨대, -NO), 이산화질소(예컨대, -NO2), 클로라이드(예컨대, -Cl), 할로알킬 기(예컨대, CF3), 실란(예컨대, SiH3), 및/또는 유기실란(SiH2CH3). 다른 작용기가 또한 가능하다. In general, plasma treatment modifies the surface of the separator by ionizing the working gas and/or the surface and, in some instances, forming or depositing activated chemical functional groups on the surface. In certain embodiments, activation of certain functional groups on the surface of the separator layer can improve the bonding between the separator layer and the ionic conductor material. In certain embodiments, an activated functional group may include one or more of the following: carboxylate (eg, -COOH), thiol (eg, -SH), alcohol (eg, -OH), acyl (eg, -CO) ), sulfonic and/or sulfonic acids (such as -SOOH or -SO 3 H), amines (such as -NH 2 ), nitric oxide (such as -NO), nitrogen dioxide (such as -NO 2 ), chlorides ( eg, —Cl), a haloalkyl group (eg, CF 3 ), a silane (eg, SiH 3 ), and/or an organosilane (SiH 2 CH 3 ). Other functional groups are also possible.

특정 실시양태에서, 플라즈마 처리, 예컨대 ALS 공정은, 예를 들면 10-2 내지 10-8 Torr 범위의 압력의 챔버에서 수행된다. 예컨대, 상기 압력은 10-8 Torr 이상, 10-7 Torr 이상, 10-6 Torr 이상, 10-5 Torr 이상, 10-4 Torr 이상, 또는 10-3 Torr 이상일 수 있다. 상기 압력은 10-2 Torr 이하, 10-3 Torr 이하, 10-4 Torr 이하, 10-5 Torr 이하, 또는 10-6 Torr 이하일 수 있다. 전술된 범위들의 조합도 또한 가능하다.In certain embodiments, the plasma treatment, such as an ALS process, is performed in a chamber at a pressure in the range of , for example, 10 -2 to 10 -8 Torr. For example, the pressure may be 10 -8 Torr or more, 10 -7 Torr or more, 10 -6 Torr or more, 10 -5 Torr or more, 10 -4 Torr or more, or 10 -3 Torr or more. The pressure may be 10 -2 Torr or less, 10 -3 Torr or less, 10 -4 Torr or less, 10 -5 Torr or less, or 10 -6 Torr or less. Combinations of the aforementioned ranges are also possible.

플라즈마 처리는 일반적으로, 예를 들면 5W 내지 200W 범위의 이온 공급원의 출력으로 수행될 수 있다. 예컨대, 상기 출력은 5 W 이상, 10 W 이상, 20 W 이상, 50 W 이상, 100W 이상, 또는 200 W 이상일 수 있다. 상기 출력은 200 W 이하, 100W 이하, 50 W 이하, 20 W 이하, 또는 5 W 이하일 수 있다. 상기 기재된 출력 범위들의 조합이 또한 가능하다. Plasma treatment can generally be performed with an ion source power in the range of, for example, 5W to 200W. For example, the output may be 5 W or more, 10 W or more, 20 W or more, 50 W or more, 100 W or more, or 200 W or more. The output may be 200 W or less, 100 W or less, 50 W or less, 20 W or less, or 5 W or less. Combinations of the power ranges described above are also possible.

실제 표면 에너지 증가는, 열 손상을 초래할 수 있는 물질의 과다노출의 고려 없이, 압력, 출력 및 노출 시간의 함수이다. 예를 들면, 노출 시간(즉, 세퍼레이터 층이 플라즈마 처리되는 시간)은 1 초 이상, 10 초 이상, 30 초 이상, 1 분 이상, 2 분 이상, 5 분 이상, 10 분 이상, 20 분 이상, 30 분 이상, 1 시간 이상, 또는 5 시간 이상일 수 있다. 노출 시간은 10 시간 이하, 1 시간 이하, 30 분 이하, 10 분 이하, 5 분 이하, 1 분 이하, 10 초 이하, 또는 1초 이하일 수 있다. 상기 기재된 노출 시간들의 조합도 또한 가능하다. The actual surface energy increase is a function of pressure, power and exposure time, without taking into account overexposure of the material, which can result in thermal damage. For example, the exposure time (i.e., the time the separator layer is plasma treated) may be 1 second or more, 10 seconds or more, 30 seconds or more, 1 minute or more, 2 minutes or more, 5 minutes or more, 10 minutes or more, 20 minutes or more, It may be at least 30 minutes, at least 1 hour, or at least 5 hours. The exposure time may be 10 hours or less, 1 hour or less, 30 minutes or less, 10 minutes or less, 5 minutes or less, 1 minute or less, 10 seconds or less, or 1 second or less. Combinations of the exposure times described above are also possible.

설정 조건은 플라즈마 시스템의 효율, 전원의 효율, RF 매칭 문제, 가스 분배 및 선택, 표적 기재와의 거리, 플라즈마 노출 시간 등에 의존하여 변할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 프라즈마 공급원이 작동되는 출력, 작동 압력, 가스 선택 및 플라즈마 공급원에 대한 노출 시간 길이의 다양한 조합이 가능하다. It will be understood by those skilled in the art that the setup conditions may vary depending on the efficiency of the plasma system, the efficiency of the power source, RF matching issues, gas distribution and selection, distance from the target substrate, plasma exposure time, and the like. Thus, various combinations of the power at which the plasma source is operated, the operating pressure, the gas selection, and the length of exposure time to the plasma source are possible.

플라즈마 처리가 기재(예컨대, 세퍼레이터)의 표면 에너지를 증가시키는 것에 대해 주로 기재되었지만, 기재의 표면 에너지를 증가시키는 다른 방법도 또한 가능하다. 예를 들면, 특정 실시양태에서, 화염 표면 처리, 코로나 처리, 화학적 처리, 표면 산화, 표면에 대한 작용기의 흡수, 및/또는 표면 그래프팅이 기재의 표면 에너지를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. Although plasma treatment has been primarily described for increasing the surface energy of a substrate (eg, a separator), other methods of increasing the surface energy of a substrate are also possible. For example, in certain embodiments, flame surface treatment, corona treatment, chemical treatment, surface oxidation, absorption of functional groups to the surface, and/or surface grafting may be used to increase the surface energy of the substrate.

세퍼레이터 층의 표면 에너지는 임의의 적합한 값으로 증가될 수 있다. 일부 실시양태에서, 처리 전의 세퍼레이터 층의 표면 에너지는, 예를 들면 0 내지 50 dyne일 수 있다. 예를 들면, 표면 에너지는 0 dyne 이상, 10 dyne 이상, 20 dyne 이상, 30 dyne 이상, 40 dyne 이상, 또는 50 dyne 이상일 수 있다. 표면 에너지는 50 dyne 미만, 40 dyne 미만, 30 dyne 미만, 20 dyne, 또는 10 dyne 미만일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합이 또한 가능하다. 다른 표면 에너지도 또한 가능하다.The surface energy of the separator layer may be increased to any suitable value. In some embodiments, the surface energy of the separator layer prior to treatment may be, for example, 0-50 dyne. For example, the surface energy may be 0 dyne or more, 10 dyne or more, 20 dyne or more, 30 dyne or more, 40 dyne or more, or 50 dyne or more. The surface energy may be less than 50 dynes, less than 40 dynes, less than 30 dynes, less than 20 dynes, or less than 10 dynes. Combinations of the ranges described above are also possible. Other surface energies are also possible.

일부 실시양태에서, 처리 후의 세퍼레이터 층의 표면 에너지는, 예를 들면 30 dyne 내지 100 dyne(1 dyne = 1 g·cm/s2 = 10-5 kg·m/s2 = 10-5 N)의 범위일 수 있다. 특정 실시양태에서, 처리 후의 세퍼레이터 층의 표면 에너지는 30 dyne 이상, 40 dyne 이상, 50 dyne 이상, 60 dyne 이상, 70 dyne 이상, 80 dyne 이상, 또는 90 dyne 이상일 수 있다. 처리 후의 표면 에너지는, 예를 들면 100 dyne 미만, 90 dyne 미만, 80 dyne 미만, 70 dyne 미만, 60 dyne 미만, 또는 50 dyne 미만일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다.In some embodiments, the surface energy of the separator layer after treatment is, for example, between 30 dyne and 100 dyne (1 dyne = 1 g cm/s 2 = 10 -5 kg m/s 2 = 10 -5 N). can be a range. In certain embodiments, the surface energy of the separator layer after treatment may be at least 30 dyne, at least 40 dyne, at least 50 dyne, at least 60 dyne, at least 70 dyne, at least 80 dyne, or at least 90 dyne. The surface energy after treatment may be, for example, less than 100 dyne, less than 90 dyne, less than 80 dyne, less than 70 dyne, less than 60 dyne, or less than 50 dyne. Combinations of the ranges described above are also possible.

특정 실시양태에서, 처리 전의 세퍼레이터 표면의 표면 에너지는 처리 후에 1.2 배 이상, 1.5 배 이상, 2 배 이상, 3 배 이상, 5 배 이상, 10 배 이상, 20 배 이상, 50 배 이상, 70 배 이상, 또는 100 배 이상 증가될 수 있다. 일부 경우에서, 표면 처리는 처리 후에 500 배까지 증가될 수 있다. 표면 에너지의 다른 증가가 또한 가능하다. In certain embodiments, the surface energy of the separator surface before treatment is 1.2 times or more, 1.5 times or more, 2 times or more, 3 times or more, 5 times or more, 10 times or more, 20 times or more, 50 times or more, 70 times or more, after treatment. , or 100 times or more. In some cases, the surface treatment can be increased by a factor of 500 after treatment. Other increases in surface energy are also possible.

본원에 기재된 바와 같이, 일부 실시양태에서 표면의 처리는 이온 전도체와 형성되는 세퍼레이터 층 사이의 화학적 및/또는 물리적 결합을 생성한다. 일부 실시양태에서, 상기 결합은 공유 결합을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 비-공유결합적 상호작용(예컨대, 소수성 및/또는 친수성 상호작용, 정전 상호작용, 반데르발스 상호작용)이 형성될 수 있다. 일반적으로, 결합 형성을 생성하는 표면의 처리(예컨대, 전처리)는, 이런 처리의 없는 경우와 비교 시에 2개의 층들 사이의 접착 정도를 증가시킨다.As described herein, in some embodiments the treatment of the surface creates a chemical and/or physical bond between the ionic conductor and the separator layer being formed. In some embodiments, the bond may comprise a covalent bond. Additionally or alternatively, non-covalent interactions (eg, hydrophobic and/or hydrophilic interactions, electrostatic interactions, van der Waals interactions) may be formed. In general, a treatment (eg, pretreatment) of a surface that produces bond formation increases the degree of adhesion between the two layers as compared to without such treatment.

2개의 층 사이의 상대적 접착 강도를 결정하기 위해, 테이프 시험이 수행될 수 있다. 간략하게, 테이프 시험은 제 1 층(예컨대, 세퍼레이터 층)과 제 2 층(예컨대, 이온 전도성 층) 사이의 접착성을 정량적으로 산정하기 위해 감압성 테이프를 사용한다. 이런 시험에서, X-컷(cut)은 제 1 층(예컨대, 세퍼레이터 층)을 통해 제 2 층(예컨대, 이온 전도성 층)으로 수행될 수 있다. 감압성 테이프가 파단 영역 상에 적용되고 제거될 수 있다. 세퍼레이터 층이 이온 전도성 층 상에서 유지되는 경우(또는 그 역), 접착성은 양호하다. 세퍼레이터 층이 테이프 스트립과 함께 떨어져 나오는 경우, 접착성은 불량하다. 이온 전도성 층 상에서 유지되는 경우, 접착성은 양호하다. 테이프 시험은 표준 ASTM D3359-02에 따라 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터와 무기 이온 전도체 층 사이의 접착 강도는 표준 ASTM D3359-02에 따른 테이프 시험을 통과하며, 이는 이온 전도체 층이 시험 동안 세퍼레이터 층으로부터 박리되지 않음을 의미한다. 일부 실시양태에서, 테이프 시험은 2개의 층(예컨대, 제 1 층, 예컨대 세퍼레이터 층에서 제 2 층, 예컨대 이온 전도성 층으로)이 5 회 이상, 10 회 이상, 15 회 이상, 20 회 이상, 50 회 이상, 또는 100 회 이상 사이클링된 전지, 예컨대 리튬-황 전지 또는 본원에 기재된 임의의 다른 적절한 전지 내에 포함된 후에 수행되고, 상기 2개의 층이, 전지로부터 제거된 후에 테이프 시험을 통과한다(예컨대, 제 1 층은 시험 동안 제 2 층으로부터 박리되지 않는다). To determine the relative adhesive strength between the two layers, a tape test may be performed. Briefly, the tape test uses a pressure sensitive tape to quantitatively estimate the adhesion between a first layer (eg, a separator layer) and a second layer (eg, an ionically conductive layer). In this test, an X-cut may be performed with a second layer (eg, an ionically conductive layer) through a first layer (eg, a separator layer). A pressure sensitive tape may be applied and removed over the fracture area. When the separator layer is maintained on the ion conductive layer (or vice versa), the adhesion is good. If the separator layer comes off together with the tape strip, the adhesion is poor. When held on the ion conductive layer, the adhesion is good. Tape testing may be performed according to standard ASTM D3359-02. In some embodiments, the adhesive strength between the separator and the inorganic ion conductor layer passes the tape test according to standard ASTM D3359-02, meaning that the ionic conductor layer does not peel from the separator layer during the test. In some embodiments, the tape test is performed when two layers (e.g., from a first layer, such as a separator layer to a second layer, such as an ionically conductive layer) are at least 5 times, at least 10 times, at least 15 times, at least 20 times, 50 times. After being incorporated into a cell that has been cycled at least 100 times, or at least 100 times, such as a lithium-sulfur cell or any other suitable cell described herein, the two layers pass the tape test after being removed from the cell (such as , the first layer does not delaminate from the second layer during the test).

박리(peel) 시험은 제 2 층(예컨대, 이온 전도성 층)의 길이로부터 제 1 층(예컨대, 세퍼레이터 층)을 제거하는데 필요한 접착성 또는 힘을 측정하는 것을 포함할 수 있으며, 이는 인장 시험 기구 또는 또 다른 적합한 기구를 사용하여 N/m 단위로 측정될 수 있다. 이런 실험은 임의적으로 용매(예컨대, 전해질) 또는 다른 구성요소의 존재 하에 수행되어 접착에 대한 용매 및/또는 구성요소의 영향을 결정할 수 있다.A peel test may include measuring the adhesion or force required to remove a first layer (eg, a separator layer) from the length of a second layer (eg, an ionically conductive layer), which may include a tensile testing apparatus or It may be measured in N/m using another suitable instrument. Such experiments may optionally be performed in the presence of a solvent (eg, electrolyte) or other component to determine the effect of the solvent and/or component on adhesion.

일부 실시양태에서, 2개의 층(예컨대, 제 1 층, 예컨대 세퍼레이터 층 및 제 2 층, 예컨대 이온 전도체 층) 사이의 접착 강도는 본원에 기재된 처리(예컨대, 전처리) 단계의 결과로서 증가될 수 있다. 처리 후의 접착 강도는, 예를 들면 100 N/m 내지 2000 N/m 범위일 수 있다. 특정 실시양태에서, 접착 강도는 50 N/m 이상, 100 N/m 이상, 200 N/m 이상, 350 N/m 이상, 500 N/m 이상, 700 N/m 이상, 900 N/m 이상, 1000 N/m 이상, 1200 N/m 이상, 1400 N/m 이상, 1600 N/m 이상, 또는 1800 N/m 이상일 수 있다. 특정 실시양태에서, 접착 강도는 2000 N/m 이하, 1500 N/m 이하, 1000 N/m 이하, 900 N/m 이하, 700 N/m 이하, 500 N/m 이하, 350 N/m 이하, 200 N/m 이하, 100 N/m 이하, 또는 50 N/m 이하일 수 있다. 다른 접착 강도도 또한 가능하다. In some embodiments, the adhesive strength between two layers (e.g., a first layer, such as a separator layer and a second layer, such as an ion conductor layer) can be increased as a result of a treatment (e.g., pretreatment) step described herein. . The adhesive strength after treatment may be, for example, in the range of 100 N/m to 2000 N/m. In certain embodiments, the adhesive strength is at least 50 N/m, at least 100 N/m, at least 200 N/m, at least 350 N/m, at least 500 N/m, at least 700 N/m, at least 900 N/m, It may be 1000 N/m or more, 1200 N/m or more, 1400 N/m or more, 1600 N/m or more, or 1800 N/m or more. In certain embodiments, the adhesive strength is 2000 N/m or less, 1500 N/m or less, 1000 N/m or less, 900 N/m or less, 700 N/m or less, 500 N/m or less, 350 N/m or less, 200 N/m or less, 100 N/m or less, or 50 N/m or less. Other adhesive strengths are also possible.

본원에 기재된 바와 같이, 세퍼레이터 층의 평균 공극 직경에 대한 상대적 이온 전도체 층의 두께는 복합체 내의 2개의 층 사이의 접착 강도 또는 결합의 정도에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 일부 경우에서 이온 전도체 층의 두께는 세퍼레이터 층의 평균 공극 직경(또는 최대 공극 직경)보다 클 수 있고, 세퍼레이터 층으로부터의 박리에 저항하는 평활하고, 조밀하고, 균질한 이온 전도체 층의 형성을 제공한다. As described herein, the thickness of the ion conductor layer relative to the average pore diameter of the separator layer can affect the adhesive strength or degree of bonding between two layers in a composite. For example, in some cases the thickness of the ion conductor layer may be greater than the average pore diameter (or maximum pore diameter) of the separator layer, which prevents the formation of a smooth, dense, homogeneous ion conductor layer that resists delamination from the separator layer. to provide.

본원에 기재된 바와 같이, 전기화학 전지에서, 이온 전도체 층은, 액체 전해질의 전기활성 물질(예컨대, 리튬 금속)과의 상호작용의 가능성을 방지 또는 감소하도록 작용하는 용매 장벽으로서 역할을 할 수 있다. 일부 실시양태에서, 장벽으로서 작용하는 복합체 이온 전도체 층-세퍼레이터의 능력은 공기 투과 시험(예컨대, 걸리 시험)에 의해 부분적으로 측정될 수 있다. 걸리 시험은, 특정 체적의 공기가 물질의 표준 면적을 유동하는데 필요한 시간을 결정한다. 이와 같이, 보다 큰 공기 투과 시간(걸리-초)은 일반적으로 보다 우수한 장벽 특성에 상응한다. As described herein, in an electrochemical cell, the ionic conductor layer can act as a solvent barrier that acts to prevent or reduce the likelihood of interaction of the liquid electrolyte with an electroactive material (eg, lithium metal). In some embodiments, the ability of a composite ion conductor layer-separator to act as a barrier can be measured in part by an air permeation test (eg, Gurley test). The Gurley test determines the time required for a specific volume of air to flow through a standard area of a material. As such, larger air permeation times (Gurley-seconds) generally correspond to better barrier properties.

당업자는, 보다 두꺼운 층이, 유체가 층을 관통하는데 보다 어려울 수 있기 때문에, 개선된 장벽 특성(예컨대, 보다 높은 공기 투과 시간)은 비교적 두꺼운 무기 이온 전도체 층의 사용에 의해 달성될 것으로 예상할 수 있다. 그러나, 이하에서 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본 발명자들은, 무기 이온 전도체 층-세퍼레이터 복합체의 감소된 이온 전도체 층의 두께는, 비교적 두꺼운 무기 이온 전도체 층을 갖는 무기 이온 전도체 층-세퍼레이터 복합체에 비해, 걸리 시험을 이용한 공기 투과 시간의 증가에 의해 측정되는, 장벽 특성에서의 개선을 제공하였음을 관찰하였다(도 3 및 도 5 참조). 또한, 얇은 무기 이온 전도체 층 및 플라즈마 처리된 세퍼레이터의 조합은, 플라즈마 처리된 세퍼레이터를 포함하지 않는 복합체 또는 비교적 두꺼운 무기 이온 전도체 층을 갖는 복합체와 비교 시에 최대 공기 투과 시간(따라서, 증진된 장벽 특성)을 나타냈다. 어떠한 이론에도 구속되고자 함이 없이, 본 발명자들은, 높은 투과 시간 및 양호한 장벽 특성은, 2개의 층 사이의 양호한 접착 강도 및 이온 전도체 층의 양호한 기계적 가요성(즉, 보다 낮은 필름 응력)에 의해 부분적으로 기여되어 층의 크래킹 가능성을 감소시킬 수 있는 것으로 생각한다. 층들간이 박리와 유사하게, 이온 전도체 층의 크래킹은 전형적으로 불량한 장벽 특성을 초래한다. One of ordinary skill in the art would expect improved barrier properties (eg, higher air permeation times) to be achieved by the use of a relatively thick inorganic ion conductor layer, since thicker layers may be more difficult for fluid to penetrate through the layers. have. However, as described in more detail below, the present inventors have found that the reduced thickness of the ion conductor layer of the inorganic ion conductor layer-separator composite is lower than that of the inorganic ion conductor layer-separator composite having a relatively thick inorganic ion conductor layer. , observed that it provided an improvement in barrier properties, as measured by increasing the air permeation time using the Gurley test (see FIGS. 3 and 5 ). In addition, the combination of a thin inorganic ion conductor layer and a plasma treated separator results in a maximum air permeation time (and thus enhanced barrier properties) compared to composites not including the plasma treated separator or composites having a relatively thick inorganic ion conductor layer. ) was shown. Without wishing to be bound by any theory, the present inventors believe that the high transmission time and good barrier properties are partially due to the good adhesive strength between the two layers and the good mechanical flexibility (i.e. lower film stress) of the ion conductor layer. It is thought that it can contribute to reducing the cracking potential of the layer. Similar to delamination, cracking of the ion conductor layer typically results in poor barrier properties.

일부 실시양태에서, 본원에 기재된 복합체(예컨대, 이온 전도체 층-세퍼레이터 복합체)의 공기 투과 시간은 1,000 걸리 초 이상, 5,000 걸리-초 이상, 10,000 걸리-초 이상, 20,000 걸리-초 이상, 40,000 걸리-초 이상, 60,000 걸리-초 이상, 80,000 걸리-초 이상, 100,000 걸리-초 이상, 120,000 걸리-초 이상, 140,000 걸리-초 이상, 160,000 걸리-초 이상, 180,000 걸리-초 이상, 200,000 걸리-초 이상, 500,000 걸리-초 이상, 또는 106 걸리-초 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 복합체는 실질적으로 불투과성이다. 일부 실시양태에서, 공기 투과 시간은 106 걸리-초 미만, 500,000 걸리-초 미만, 200,000 걸리-초 미만, 150,000 걸리-초 미만, 120,000 걸리-초 미만, 80,000 걸리-초 미만, 40,000 걸리-초 미만, 20,000 걸리-초 미만, 10,000 걸리-초 미만, 또는 5,000 걸리-초 미만일 수 있다. 본원에 기재된 공기 투과 시간 및 걸리 시험은 TAPPI 표준 T 536 om-12에 따라 수행되는 방법을 지칭하며, 이는 3 kPa의 차압 및 1 평방 인치의 샘플 크기를 포함한다.In some embodiments, the air permeation time of a composite described herein (eg, an ionic conductor layer-separator composite) is at least 1,000 Gurley-seconds, at least 5,000 Gurley-seconds, at least 10,000 Gurley-seconds, at least 20,000 Gurley-seconds, at least 40,000 Gurley-seconds. More than 60,000 gully-seconds or more, 80,000 gully-seconds or more, 100,000 gully-seconds or more, 120,000 gully-seconds or more, 140,000 gully-seconds or more, 160,000 gully-seconds or more, 180,000 gully-seconds or more, 200,000 gully-seconds or more , 500,000 Gurley-seconds or greater, or 10 6 Gurley-seconds or greater. In some embodiments, the composite is substantially impermeable. In some embodiments, the air permeation time is less than 10 6 Gurley-seconds, less than 500,000 Gurley-seconds, less than 200,000 Gurley-seconds, less than 150,000 Gurley-seconds, less than 120,000 Gurley-seconds, less than 80,000 Gurley-seconds, 40,000 Gurley-seconds. less than 20,000 Gurley-seconds, less than 10,000 Gurley-seconds, or less than 5,000 Gurley-seconds. The air permeation time and Gurley tests described herein refer to methods performed according to TAPPI standard T 536 om-12, which include a differential pressure of 3 kPa and a sample size of 1 square inch.

본원에 기재된 이온 전도체 또는 이온 전도체 층은 다양한 유형의 물질들로 형성될 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 전도체가 형성되는 물질은 이온(예컨대, 전기화학적 활성 이온, 예컨대 리튬 이온)이 이온 전도체를 관통하지만 전자가 이온 전도체를 통과하는 것을 실질적으로 저해할 수 있도록 선택될 수 있다. 본원에서 "실질적으로 저해하는"은, 이 실시양태에서, 물질이 전자 통과보다 10배 이상 큰 리튬 이온 플럭스를 허용함을 의미한다. The ion conductors or ion conductor layers described herein may be formed of various types of materials. In certain embodiments, the material from which the ionic conductor is formed can be selected such that ions (eg, electrochemically active ions, such as lithium ions) penetrate the ionic conductor but substantially inhibit electrons from passing through the ionic conductor. By “substantially inhibiting” herein is meant that, in this embodiment, the material permits a flux of lithium ions that is at least ten times greater than the passage of electrons.

일부 실시양태에서, 이온 전도체 층에서 사용되는 물질은 제 1 비정질 상태에서 충분히 높은 전도도(예컨대, 10-6 S/cm 이상, 또는 본원에 기재된 또 다른 전도도 값)를 갖는다. 또한, 상기 물질은, 특히 중합체 층, 예컨대 세퍼레이터 상에 평활하고, 조밀하고, 균질한 얇은 필름을 형성하는 능력에 대해 선택될 수도 있다. 리튬 옥시설파이드는 특히 이런 특징을 포함할 수 있다. In some embodiments, the material used in the ionic conductor layer has a sufficiently high conductivity in the first amorphous state (eg, at least 10 −6 S/cm, or another conductivity value described herein). The materials may also be selected for their ability to form smooth, dense, homogeneous thin films, particularly on polymeric layers, such as separators. Lithium oxysulfide may in particular include these characteristics.

특정 실시양태에서, 이온 전도체는 전기적 비-전도성인 것으로 구성될 수 있고, 이는 이온 전도체가 전기화학 전지의 회로 단락을 일으키는 정도를 억제할 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 전도체의 전부 또는 일부의 전부 또는 일부는 약 104 Ohm-미터 이상, 약 105 Ohm-미터 이상, 약 1010 Ohm-미터 이상, 약 1015 Ohm-미터 이상, 또는 약 1020 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 벌크 전자 저항률은, 일부 실시양태에서, 약 1020 Ohm-미터 이하, 또는 약 1015 Ohm-미터 이하일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. 다른 벌크 전자 저항률 값도 가능하다.In certain embodiments, an ionic conductor may be constructed to be electrically non-conductive, which may inhibit the extent to which the ionic conductor will cause a short circuit in an electrochemical cell. In certain embodiments, all or a portion of all or a portion of the ionic conductor is at least about 10 4 Ohm-meters, at least about 10 5 Ohm-meters, at least about 10 10 Ohm-meters, at least about 10 15 Ohm-meters, or about It may be formed of a material having a bulk electronic resistivity of 10 20 Ohm-meters or greater. The bulk electronic resistivity may, in some embodiments, be about 10 20 Ohm-meters or less, or about 10 15 Ohm-meters or less. Combinations of the ranges described above are also possible. Other bulk electronic resistivity values are possible.

일부 실시양태에서, 이온 전도체 물질의 평균 이온 전도도(예컨대, 리튬 이온 전도도)는 약 10-7 S/cm 이상, 약 10-6 S/cm 이상, 약 10-5 S/cm 이상, 약 10-4 S/cm 이상, 약 10-3 S/cm 이상, 약 10-2 S/cm 이상, 약 10-1 S/cm 이상, 약 1 S/cm 이상, 또는 약 10 S/cm 이상이다. 평균 이온 전도도는 약 20 S/cm 이하, 약 10 S/cm 이하, 또는 1 S/cm 이하일 수 있다. 전도도는 실온(예컨대, 25℃)에서 측정될 수 있다.In some embodiments, the average ionic conductivity (eg, lithium ion conductivity) of the ionic conductor material is at least about 10 −7 S/cm, at least about 10 −6 S/cm, at least about 10 −5 S/cm, at least about 10 − 4 S/cm or more, about 10 -3 S/cm or more, about 10 -2 S/cm or more, about 10 -1 S/cm or more, about 1 S/cm or more, or about 10 S/cm or more. The average ionic conductivity may be about 20 S/cm or less, about 10 S/cm or less, or 1 S/cm or less. Conductivity can be measured at room temperature (eg, 25° C.).

일부 실시양태에서, 이온 전도체는 고체일 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온 전도체는 비-중합체 물질을 포함하거나, 또는 이로 실질적으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 이온 전도체는 무기 물질을 포함할 수 있거나 또는 이로 실질적으로 형성될 수 있다.In some embodiments, the ionic conductor may be a solid. In some embodiments, the ionic conductor may comprise, or be formed substantially from, a non-polymeric material. For example, the ionic conductor may comprise or be formed substantially from an inorganic material.

다양한 물질들이 이온 전도성 층으로서 사용될 수 있지만, 한 세트의 실시양태에서, 이온 전도체 층은 무기 이온 전도성 층이다. 예를 들면, 무기 이온 전도체 층은 세라믹, 유리, 또는 유리질-세라믹일 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온 전도체는 옥시설파이드, 예컨대 리튬 옥시설파이드를 포함한다.Although a variety of materials can be used as the ionically conductive layer, in one set of embodiments, the ionically conductive layer is an inorganic ionically conductive layer. For example, the inorganic ion conductor layer may be ceramic, glass, or vitreous-ceramic. In some embodiments, the ionic conductor comprises an oxysulfide, such as lithium oxysulfide.

본원에 기재된 무기 이온 전도체 물질이 리튬 옥시설파이드를 포함하는 특정 실시양태에서, 리튬 옥시설파이드(또는 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층)는 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 가질 수 있다. 옥사이드 함량은 리튬 옥시설파이드 물질의 총 중량 또는 리튬 옥시설파이드 물질을 포함하는 이온 전도체 층의 총 중량에 대해 측정될 수 있다. 예컨대, 옥사이드 함량은 0.1 중량% 이상, 1 중량%, 2 중량% 이상, 5 중량% 이상, 10 중량%, 15 중량% 이상, 또는 20 중량% 이상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 옥사이드 함량은 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 10 중량% 이하, 5 중량% 이하, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하의 리튬 옥시설파이드일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. 옥사이드 함량을 비롯한 층의 원소 조성은 방법, 예컨대 에너지-분산성 X-선 분광법으로 결정될 수 있다. In certain embodiments in which the inorganic ionic conductor material described herein comprises lithium oxysulfide, the lithium oxysulfide (or ionic conductor layer comprising lithium oxysulfide) may have an oxide content of 0.1 to 20 weight percent. The oxide content can be measured relative to the total weight of the lithium oxysulfide material or the total weight of the ion conductor layer comprising the lithium oxysulfide material. For example, the oxide content may be at least 0.1 wt%, at least 1 wt%, at least 2 wt%, at least 5 wt%, at least 10 wt%, at least 15 wt%, or at least 20 wt%. In some embodiments, the oxide content may be 20 wt% or less, 15 wt% or less, 10 wt% or less, 5 wt% or less, 2 wt% or less, or 1 wt% or less lithium oxysulfide. Combinations of the ranges described above are also possible. The elemental composition of the layer, including oxide content, can be determined by methods such as energy-dispersive X-ray spectroscopy.

본원에 기재된 무기 이온 전도체 물질이 리튬 옥시설파이드를 포함하는 일부 실시양태에서, 리튬 옥시설파이드 물질(또는 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층)은, 예를 들면 1:1 내지 1000:1의 황 원자 대 산소 원자의 원자 비(S:O)를 갖는다. 예컨대, 리튬 옥시설파이드 물질(또는 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층)의 황 원자 대 산소 원자의 원자 비(S:O)는 0.5:1 이상, 0.667:1 이상, 1:1 이상, 2:1 이상, 3:1 이상, 4:1 이상, 5:1 이상, 10:1 이상, 20:1 이상, 50:1 이상, 70:1 이상, 90:1 이상, 100:1 이상, 200:1 이상, 500:1 이상, 또는 1000:1 이상일 수 있다. 리튬 옥시설파이드 물질(또는 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층) 중의 황 원자 대 산소 원자의 원자 비(S:O)는 1000:1 이하, 500:1 이하, 200:1 이하, 100:1 이하, 90:1 이하, 70:1 이하, 50:1 이하, 20:1 이하, 10:1 이하, 5:1 이하, 3:1 이하, 또는 2:1 이하일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 2:1 내지 1000:1, 또는 4:1 내지 100:1의 S:O 원자 비). 다른 범위도 또한 가능하다. 층의 원소 조성은 방법, 예컨대 에너지-분산성 X-선 분광법으로 결정될 수 있다.In some embodiments wherein the inorganic ion conductor material described herein comprises lithium oxysulfide, the lithium oxysulfide material (or ionic conductor layer comprising lithium oxysulfide) comprises, for example, 1:1 to 1000:1 sulfur atoms. It has an atomic ratio of atoms to oxygen (S:O). For example, the atomic ratio of sulfur atoms to oxygen atoms (S:O) of a lithium oxysulfide material (or an ionic conductor layer comprising lithium oxysulfide) is 0.5:1 or more, 0.667:1 or more, 1:1 or more, 2: 1 or more, 3:1 or more, 4:1 or more, 5:1 or more, 10:1 or more, 20:1 or more, 50:1 or more, 70:1 or more, 90:1 or more, 100:1 or more, 200: 1 or more, 500:1 or more, or 1000:1 or more. The atomic ratio (S:O) of sulfur atoms to oxygen atoms in the lithium oxysulfide material (or ion conductor layer comprising lithium oxysulfide) is 1000:1 or less, 500:1 or less, 200:1 or less, 100:1 or less. , 90:1 or less, 70:1 or less, 50:1 or less, 20:1 or less, 10:1 or less, 5:1 or less, 3:1 or less, or 2:1 or less. Combinations of the ranges described above are also possible (eg, S:O atomic ratios of 2:1 to 1000:1, or 4:1 to 100:1). Other ranges are also possible. The elemental composition of the layer can be determined by methods such as energy-dispersive X-ray spectroscopy.

상기 원자 비가 또한 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 비로서 표시될 수 있고, 전술된 비의 역이 적용가능할 수 있음을 주지해야 한다. 예컨대, 일부 실시양태에서, 리튬 옥시설파이드 물질(또는 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층)은, 0.001:1 내지 1.5:1, 예컨대, 0.01:1 내지 0.25:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다.It should be noted that the above atomic ratio may also be expressed as the ratio of oxygen atoms to sulfur atoms (O:S), and the inverse of the above ratio may be applicable. For example, in some embodiments, a lithium oxysulfide material (or an ionic conductor layer comprising lithium oxysulfide) has an oxygen atom to sulfur atom ( lithium oxysulfide with an atomic ratio of O:S).

일부 실시양태에서, 본원에 기재된 리튬 옥시설파이드 물질은 화학식 x(yLi2S+zLi2O)+MS2(상기 식에서, M은 Si, Ge, 또는 Sn이다)을 가질 수 있으며, 이때 y+z=1이고, x는 0.5 내지 3일 수 있다. 특정 실시양태에서, x는 0.5 이상, 1.0 이상, 1.5 이상, 2.0 이상, 또는 2.5 이상이다. 다른 실시양태에서, x는 3.0 이하, 2.5 이하, 2.0 이하, 1.5 이하, 1.0 이하, 또는 0.5 이하이다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. x에 대한 다른 값도 또한 가능하다.In some embodiments, the lithium oxysulfide materials described herein may have the formula x(yLi 2 S+zLi 2 O)+MS 2 , wherein M is Si, Ge, or Sn, wherein y+z =1, and x may be 0.5 to 3. In certain embodiments, x is at least 0.5, at least 1.0, at least 1.5, at least 2.0, or at least 2.5. In other embodiments, x is 3.0 or less, 2.5 or less, 2.0 or less, 1.5 or less, 1.0 or less, or 0.5 or less. Combinations of the ranges described above are also possible. Other values for x are also possible.

이온 전도체는, 일부 실시양태에서, 비정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드, 결정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드, 또는 비정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드와 결정질 리튬-이온 전도성 옥시설파이드의 혼합물, 예컨대, 비정질 리튬 옥시설파이드, 결정질 리튬 옥시설파이드, 또는 비정질 리튬 옥시설파이드와 결정질 리튬 옥시설파이드의 혼합물을 포함할 수 있다.The ionic conductor, in some embodiments, is an amorphous lithium-ion conductive oxysulfide, a crystalline lithium-ion conductive oxysulfide, or a mixture of an amorphous lithium-ion conductive oxysulfide and a crystalline lithium-ion conductive oxysulfide, such as an amorphous lithium oxysulfide. , crystalline lithium oxysulfide, or a mixture of amorphous lithium oxysulfide and crystalline lithium oxysulfide.

일부 실시양태에서, 무기 이온 전도체, 예컨대 전술된 리튬 옥시설파이드는 무기 이온 전도체 물질의 0 중량% 내지 30 중량%의 유리 형성 첨가제를 포함한다. 유리 형성 첨가제의 예는, 예를 들면, SiO2, Li2SiO3, Li4SiO4, Li3PO4, LiPO3, Li3PS4, LiPS3, B2O3, B2S3를 포함한다. 다른 유리 형성 첨가제도 또한 가능하다. 특정 실시양태에서, 유리 형성 첨가제는 무기 이온 전도체 물질의 5 중량% 이상, 10 중량% 이상, 15 중량% 이상, 20 중량% 이상, 25 중량% 이상, 또는 30 중량% 이상일 수 있다. 특정 실시양태에서, 유리 형성 첨가제는 무기 이온 전도체 물질의 30 중량% 이하, 25 중량% 이하, 20 중량% 이하, 15 중량% 이하, 또는 10 중량% 이하일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. 다른 값의 유리 형성 첨가제도 또한 가능하다.In some embodiments, the inorganic ion conductor, such as the lithium oxysulfide described above, comprises 0% to 30% by weight of the glass forming additive of the inorganic ion conductor material. Examples of glass forming additives include, for example, SiO 2 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 , Li 3 PO 4 , LiPO 3 , Li 3 PS 4 , LiPS 3 , B 2 O 3 , B 2 S 3 . include Other glass forming additives are also possible. In certain embodiments, the glass forming additive may be at least 5 wt%, at least 10 wt%, at least 15 wt%, at least 20 wt%, at least 25 wt%, or at least 30 wt% of the inorganic ion conductor material. In certain embodiments, the glass forming additive may be up to 30 wt%, up to 25 wt%, up to 20 wt%, up to 15 wt%, or up to 10 wt% of the inorganic ion conductor material. Combinations of the ranges described above are also possible. Other values of glass forming additives are also possible.

일부 실시양태에서, 하나 이상의 부가 염(예컨대, 리튬 염, 예컨대 LiI, LiBr, LiCl, Li2CO3, 또는 Li2SO4)은, 예컨대, 0 내지 50 몰% 범위로 무기 이온 전도체 물질에 첨가될 수 있다. 다른 염도 또한 가능하다. 특정 실시양태에서, 부가 염은 0 몰% 이상, 10 몰% 이상, 20 몰% 이상, 30 몰% 이상, 40 몰% 이상, 또는 50 몰% 이상이다. 특정 실시양태에서, 부가 염은 50 몰% 이하, 40 몰% 이하, 30 몰% 이하, 20 몰% 이하, 또는 10 몰% 이하이다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. 다른 몰% 값도 또한 가능하다.In some embodiments, one or more addition salts (eg, lithium salts such as LiI, LiBr, LiCl, Li 2 CO 3 , or Li 2 SO 4 ) are added to the inorganic ion conductor material, eg, in the range of 0-50 mole %. can be Other salts are also possible. In certain embodiments, the addition salt is at least 0 mole%, at least 10 mole%, at least 20 mole%, at least 30 mole%, at least 40 mole%, or at least 50 mole%. In certain embodiments, the addition salt is 50 mole % or less, 40 mole % or less, 30 mole % or less, 20 mole % or less, or 10 mole % or less. Combinations of the ranges described above are also possible. Other mole % values are also possible.

이온 전도체의 추가적 예는 리튬 나이트라이드, 리튬 실리케이트, 리튬 보레이트, 리튬 알루미네이트, 리튬 포스페이트, 리튬 인 옥시나이트라이드, 리튬 실리코설파이드, 리튬 게르마노설파이드, 리튬 옥사이드(예컨대, Li2O, LiO, LiO2, LiRO2, 이때 R은 희토류 금속임), 리튬 란탄 옥사이드, 리튬 티탄 옥사이드, 리튬 보로설파이드, 리튬 알루미노설파이드, 및 리튬 포스포설파이드, 및 이들의 조합을 포함한다. Further examples of ionic conductors include lithium nitride, lithium silicate, lithium borate, lithium aluminate, lithium phosphate, lithium phosphorus oxynitride, lithium silicosulfide, lithium germanosulfide, lithium oxide (e.g., Li 2 O, LiO, LiO 2 , LiRO 2 , where R is a rare earth metal), lithium lanthanum oxide, lithium titanium oxide, lithium borosulfide, lithium aluminosulfide, and lithium phosphosulfide, and combinations thereof.

특정 실시양태에서, 이온 전도체는 단일-이온 전도성 물질(예컨대, 단일-이온 전도성 세라믹 물질)로 형성된다.In certain embodiments, the ion conductor is formed of a single-ion conductive material (eg, a single-ion conductive ceramic material).

본원에서 당업자는 이온 전도체로서 사용하기 위한 적절한 물질을 선택할 수 있을 것이다. 이런 선택을 수행할 때에 고려될 수 있는 상대적 인자는, 이온 전도체 물질의 이온 전도도; 전기화학 전지 내의 다른 물질 상에 또는 다른 물질과 함께 이온 전도체 물질을 침착 또는 형성하는 능력; 이온 전도체 물질의 취성; 이온 전도체 물질과 중합체 또는 세퍼레이터 물질의 상용성; 이온 전도체 물질과 전기화학 전지의 전해질의 상용성; 물질의 이온 전도도(예컨대, 리튬 이온 전도도); 및/또는 세퍼레이터 물질에 이온 전도체를 부착시키는 능력을 포함한다.Those skilled in the art will be able to select suitable materials for use as ionic conductors herein. Relative factors that may be taken into account when making this selection are the ionic conductivity of the ionic conductor material; the ability to deposit or form an ionic conductor material on or with another material in an electrochemical cell; brittleness of ionic conductor materials; compatibility of the ionic conductor material with the polymer or separator material; compatibility of ionic conductor materials with electrolytes in electrochemical cells; the ionic conductivity of the material (eg, lithium ion conductivity); and/or the ability to attach an ionic conductor to the separator material.

이온 전도체 물질은 임의의 적합한 방법, 예컨대 스퍼터링, 전자 빔 증발, 진공 열 증발, 레이저 융삭, 화학적 증착(CVD), 열 증발, 플라즈마 증진 화학 진공 침착(PECVD), 레이저 증진 화학적 증착, 및 제트 증착에 의해 침착될 수 있다. 이용되는 기법은 침착되는 물질 유형, 층 두께 등에 의해 좌우될 수 있다.The ion conductor material may be subjected to any suitable method, such as sputtering, electron beam evaporation, vacuum thermal evaporation, laser ablation, chemical vapor deposition (CVD), thermal evaporation, plasma enhanced chemical vacuum deposition (PECVD), laser enhanced chemical vapor deposition, and jet deposition. can be settled by The technique used may depend on the type of material being deposited, the layer thickness, and the like.

본원에 기재된 바와 같이, 바람직한 특정 실시양태에서, 이온 전도체 물질은, 진공 침착 공정(예컨대, 스퍼터링, CVD, 열 또는 E-빔 증발)을 이용하여 세퍼레이터에 침착될 수 있다. 진공 침착은 평활하고, 조밀하고, 균질한 얇은 층의 침착을 가능케 한다.As described herein, in certain preferred embodiments, the ion conductor material may be deposited on the separator using a vacuum deposition process (eg, sputtering, CVD, thermal or E-beam evaporation). Vacuum deposition allows the deposition of smooth, dense and homogeneous thin layers.

이온 전도체가 층(예컨대, 중합체 층(예컨대, 세퍼레이터)에 인접하고/하거나 부착된 층)의 형태인 실시양태에서, 이온 전도체 층의 두께는 변할 수 있다. 이온 전도체 층의 두께는, 예를 들면, 1 nm 내지 7 마이크론 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 예컨대, 이온 전도체 층의 두께는 1 내지 10 nm, 10 내지 100 nm, 10 내지 50 nm, 30 내지 70 nm, 100 내지 1000 nm, 또는 1 내지 7 마이크론일 수 있다. 이온 전도체 층의 두께는, 예를 들면, 7 마이크론 이하, 5 마이크론 이하, 2 마이크론 이하, 1000 nm 이하, 600 nm 이하, 500 nm 이하, 250 nm 이하, 100 nm 이하, 70 nm 이하, 50 nm 이하, 25 nm 이하, 또는 10 nm 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온 전도체 층은 10 nm 이상의 두께, 20 nm 이상의 두께, 30 nm 이상의 두께, 100 nm 이상의 두께, 400 nm 이상의 두께, 1 마이크론 이상의 두께, 2.5 마이크론 이상의 두께, 또는 5 마이크론 이상의 두께이다. 다른 두께도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다.In embodiments where the ionic conductor is in the form of a layer (eg, a layer adjacent to and/or attached to a polymer layer (eg, separator)), the thickness of the ion conductor layer may vary. The thickness of the ion conductor layer can vary, for example, over the range of 1 nm to 7 microns. For example, the thickness of the ion conductor layer may be 1 to 10 nm, 10 to 100 nm, 10 to 50 nm, 30 to 70 nm, 100 to 1000 nm, or 1 to 7 microns. The thickness of the ion conductor layer may be, for example, 7 microns or less, 5 microns or less, 2 microns or less, 1000 nm or less, 600 nm or less, 500 nm or less, 250 nm or less, 100 nm or less, 70 nm or less, 50 nm or less. , 25 nm or less, or 10 nm or less. In some embodiments, the ion conductor layer is at least 10 nm thick, at least 20 nm thick, at least 30 nm thick, at least 100 nm thick, at least 400 nm thick, at least 1 micron thick, at least 2.5 microns thick, or at least 5 microns thick. . Other thicknesses are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible.

본원에 기재된 바와 같이, 본원에 제공된 방법 및 물품은 평활한 표면의 형성을 허용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 보호 구조체의 이온 전도체 층의 RMS 표면 조도는, 예를 들면, 1 μm 미만일 수 있다. 특정 실시양태에서, 이런 표면에서 RMS 표면 조도는, 예를 들면, 0.5 nm 내지 1 μm(예컨대, 0.5 nm 내지 10 nm, 10 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 100 nm, 50 nm 내지 200 nm, 10 nm 내지 500 nm)일 수 있다. 일부 실시양태에서, RMS 표면 조도는 0.9 μm 이하, 0.8 μm 이하, 0.7 μm 이하, 0.6 μm 이하, 0.5 μm 이하, 0.4 μm 이하, 0.3 μm 이하, 0.2 μm 이하, 0.1 μm 이하, 75 nm 이하, 50 nm 이하, 25 nm 이하, 10 nm 이하, 5 nm 이하, 2 nm 이하, 또는 1 nm 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, RMS 표면 조도는 1 nm 초과, 5 nm 초과, 10 nm 초과, 50 nm 초과, 100 nm 초과, 200 nm 초과, 500 nm 초과, 또는 700 nm 초과일 수 있다. 다른 값도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 0.5 μm 이하 10 nm 초과의 RMS 표면 조도). 보호 구조체의 중합체 층은 전술된 범위들 중 하나 이상의 RMS 표면 조도를 가질 수 있다.As described herein, the methods and articles provided herein can allow for the formation of smooth surfaces. In some embodiments, the RMS surface roughness of the ion conductor layer of the protective structure can be, for example, less than 1 μm. In certain embodiments, the RMS surface roughness at such a surface is, for example, 0.5 nm to 1 μm (eg, 0.5 nm to 10 nm, 10 nm to 50 nm, 10 nm to 100 nm, 50 nm to 200 nm, 10 nm to 500 nm). In some embodiments, the RMS surface roughness is 0.9 μm or less, 0.8 μm or less, 0.7 μm or less, 0.6 μm or less, 0.5 μm or less, 0.4 μm or less, 0.3 μm or less, 0.2 μm or less, 0.1 μm or less, 75 nm or less, 50 nm or less, 25 nm or less, 10 nm or less, 5 nm or less, 2 nm or less, or 1 nm or less. In some embodiments, the RMS surface roughness can be greater than 1 nm, greater than 5 nm, greater than 10 nm, greater than 50 nm, greater than 100 nm, greater than 200 nm, greater than 500 nm, or greater than 700 nm. Other values are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible (eg RMS surface roughness of less than or equal to 0.5 μm and greater than 10 nm). The polymeric layer of the protective structure may have an RMS surface roughness of one or more of the ranges described above.

세퍼레이터는, 전기화학 전지의 회로 단락을 초래할 수 있는 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 물리적 접촉을 억제(예컨대 방지)하도록 구성될 수 있다. 세퍼레이터는 실질적으로 전기적으로 비-전도성이 되도록 구성될 수 있고, 이는 세퍼레이터가 전기화학 전지의 회로 단락을 일으키는 정도를 억제할 수 있다. 특정 실시양태에서, 세퍼레이터의 전부 또는 일부는 약 104 Ohm-미터 이상, 약 105 Ohm-미터 이상, 약 1010 Ohm-미터 이상, 약 1015 Ohm-미터 이상, 또는 약 1020 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 벌크 전자 저항률 실온(예컨대, 25℃)에서 측정될 수 있다.The separator may be configured to inhibit (eg, prevent) physical contact between the first electrode and the second electrode that could result in a short circuit of the electrochemical cell. The separator can be configured to be substantially electrically non-conductive, which can suppress the extent to which the separator causes a short circuit of the electrochemical cell. In certain embodiments, all or a portion of the separator is at least about 10 4 Ohm-meter, at least about 10 5 Ohm-meter, at least about 10 10 Ohm-meter, at least about 10 15 Ohm-meter, or at least about 10 20 Ohm-meter ideal It may be formed of a material having a bulk electronic resistivity. Bulk electronic resistivity can be measured at room temperature (eg, 25° C.).

일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 이온 전도성일 수 있는 반면, 다른 실시양태에서, 세퍼레이터는 실질적으로 이온적으로 비-전도성이다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 평균 이온 전도도는 약 10-7 S/cm 이상, 약 10-6 S/cm 이상, 약 10-5 S/cm 이상, 약 10-4 S/cm 이상, 약 10-2 S/cm 이상, 또는 약 10-1 S/cm 이상이다. 특정 실시양태에서, 세퍼레이터의 평균 이온 전도도는 약 1 S/cm 이하, 약 10-1 S/cm 이하, 약 10-2 S/cm 이하, 약 10-3 S/cm 이하, 약 10-4 S/cm 이하, 약 10-5 S/cm 이하, 약 10-6 S/cm 이하, 약 10-7 S/cm 이하, 또는 약 10-8 S/ cm 이하일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 약 10-8 S/cm 이상 약 10-1 S/cm 이하의 평균 이온 전도도).In some embodiments, the separator may be ionically conductive, while in other embodiments, the separator is substantially ionically non-conductive. In some embodiments, the average ionic conductivity of the separator is about 10 -7 S/cm or more, about 10 -6 S/cm or more, about 10 -5 S/cm or more, about 10 -4 S/cm or more, about 10 − 2 S/cm or more, or about 10 -1 S/cm or more. In certain embodiments, the average ionic conductivity of the separator is about 1 S/cm or less, about 10 -1 S/cm or less, about 10 -2 S/cm or less, about 10 -3 S/cm or less, about 10 -4 S /cm or less, about 10 -5 S/cm or less, about 10 -6 S/cm or less, about 10 -7 S/cm or less, or about 10 -8 S/cm or less. Combinations of the ranges described above are also possible (eg, an average ionic conductivity of at least about 10 −8 S/cm and less than or equal to about 10 −1 S/cm).

일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 고체일 수 있다. 세퍼레이터는 다공성일 수 있어서 전해질 용매가 이를 관통할 수 있게 한다. 일부 경우에서, 세퍼레이터는, 세퍼레이터의 공극을 관통하거나 이에 존재할 수 있는 용매를 제외한 용매(예컨대 겔 형태)를 실질적으로 포함하지 않는다. 다른 실시양태에서, 세퍼레이터는 겔 형태일 수 있다.In some embodiments, the separator may be a solid. The separator may be porous to allow the electrolyte solvent to penetrate it. In some cases, the separator is substantially free of solvents (eg, in the form of a gel) other than solvents that may penetrate or be present in the pores of the separator. In other embodiments, the separator may be in the form of a gel.

특정 실시양태에서, 세퍼레이터는, 본원에 기재된 하나 이상의 중합체 물질(예컨대, 세퍼레이터에 대해 후술되는 중합체)를 포함할 수 있는 중합체 결합제, 및 세라믹 또는 유리질/세라믹 물질을 포함하는 충전제, 예컨대 이온 전도체 층에 대해 본원에서 기재된 물질의 혼합물을 포함할 수 있다.In certain embodiments, the separator is a polymeric binder, which may include one or more polymeric materials described herein (eg, polymers described below for separators), and a filler comprising a ceramic or vitreous/ceramic material, such as an ionic conductor layer. mixtures of the substances described herein for

본원에 기재된 세퍼레이터는 다양한 물질로 제조될 수 있다. 세퍼레이터는 일부 예에서 중합체성일 수 있거나, 다른 예에서 무기 물질(예컨대, 유리 섬유 필터 페이퍼)의 형태 일 수 있다. 적합한 세퍼레이터 물질의 예는, 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리(부텐-1), 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌), 폴리아민(예컨대, 폴리(에틸렌 이민) 및 폴리프로필렌 이민 (PPI)); 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리이미드, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤(등록상표))(노멕스(등록상표))(케블라(등록상표))); 폴리에터 에터 케톤(PEEK); 비닐 중합체(예컨대, 폴리아크릴아마이드, 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(N-비닐피롤리돈), 폴리(메틸시아노아크릴레이트), 폴리(에틸시아노아크릴레이트), 폴리(부틸시아노아크릴레이트), 폴리(이소부틸시아노아크릴레이트), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(2-비닐 피리딘), 비닐 중합체, 폴리클로로트라이플루오로 에틸렌, 및 폴리(이소헥이실시아노아크릴레이트)); 폴리아세탈; 폴리에스터(예컨대, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리하이드록시부티레이트); 폴리에터(폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드)(PTMO)); 비닐리덴 중합체(예컨대, 폴리이소부틸렌, 폴리(메틸 스티렌), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)); 폴리아라마이드(예컨대, 폴리(이미노-1,3-페닐렌 이미노이소프탈로일) 및 폴리(이미노-1,4-페닐렌 이미노테레프탈로일)); 폴리헤테로방향족 화합물(예컨대, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤조비속사졸(PBO) 및 폴리벤조비스티아졸(PBT)); 폴리헤테로환형 화합물(예컨대, 폴리피롤); 폴리우레탄; 페놀성 중합체(예컨대, 페놀-포름알데하이드); 폴리알킨(예컨대, 폴리아세틸렌); 폴리디엔(예컨대, 1,2-폴리부타디엔, 시스 또는 트랜스-1,4-폴리부타디엔); 폴리실록산(예컨대, 폴리(다이메틸실록산)(PDMS), 폴리(다이에틸실록산)(PDES), 폴리다이페닐실록산(PDPS), 및 폴리메틸페닐실록산(PMPS)); 및 무기 중합체(예컨대, 폴리포스파젠, 폴리포스포네이트, 폴리실이란, 폴리실라잔)를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 중합체는 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤(등록상표))(노멕스(등록상표))(케블라(등록상표))), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.The separators described herein can be made of a variety of materials. The separator may be polymeric in some instances, or may be in the form of an inorganic material (eg, glass fiber filter paper) in other instances. Examples of suitable separator materials include polyolefins (such as polyethylene, poly(butene-1), poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene), polyamines (such as poly(ethylene imine) and poly propylene imine (PPI)); polyamides (such as polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly(hexamethylene adipamide) (nylon 66)), polyimides (such as polyimide, polynitrile, and poly (pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton (registered trademark)) (Nomex (registered trademark)) (Kevlar (registered trademark))); polyether ether ketone (PEEK); Vinyl polymers (such as polyacrylamide, poly(2-vinyl pyridine), poly(N-vinylpyrrolidone), poly(methylcyanoacrylate), poly(ethylcyanoacrylate), poly(butylcyano) acrylate), poly(isobutylcyanoacrylate), poly(vinyl acetate), poly(vinyl alcohol), poly(vinyl chloride), poly(vinyl fluoride), poly(2-vinyl pyridine), vinyl polymer, polychlorotrifluoroethylene, and poly(isohexylcyanoacrylate)); polyacetal; polyesters (eg, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybutyrate); polyethers (poly(ethylene oxide) (PEO), poly(propylene oxide) (PPO), poly(tetramethylene oxide) (PTMO)); vinylidene polymers (eg, polyisobutylene, poly(methyl styrene), poly(methylmethacrylate) (PMMA), poly(vinylidene chloride), and poly(vinylidene fluoride)); polyaramids (such as poly(imino-1,3-phenylene iminoisophthaloyl) and poly(imino-1,4-phenylene iminoterephthaloyl)); polyheteroaromatic compounds (such as polybenzimidazole (PBI), polybenzobisoxazole (PBO) and polybenzobisthiazole (PBT)); polyheterocyclic compounds (eg, polypyrrole); Polyurethane; phenolic polymers (eg, phenol-formaldehyde); polyalkynes (eg, polyacetylene); polydiene (eg, 1,2-polybutadiene, cis or trans-1,4-polybutadiene); polysiloxanes such as poly(dimethylsiloxane) (PDMS), poly(diethylsiloxane) (PDES), polydiphenylsiloxane (PDPS), and polymethylphenylsiloxane (PMPS)); and inorganic polymers (eg, polyphosphazenes, polyphosphonates, polysilans, polysilazanes). In some embodiments, the polymer is poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide (such as polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly( hexamethylene adipamide) (nylon 66)), polyimides (such as polynitrile, and poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton®) (Nomex®) ) (Kevlar®)), polyether ether ketone (PEEK), and combinations thereof.

이들 중합체의 기계적 및 전기적 특성(예컨대, 전도도, 저항률)은 공지되어 있다. 따라서, 당업자는 중합체의 기계적 및/또는 전기적 특성(예컨대, 이온 및/또는 전기 전도도/저항률)에 기초하여 적합한 물질을 선택할 수 있고/있거나, 이들 중합체를, 본원의 설명과 함께 당업계의 지식에 기초하여 이온적으로 전도성(예컨대, 단일 이온에 대해 전도성)이 되도록 개질할 수 있다. 예를 들면, 필요한 경우, 상기 열거된 중합체 물질은, 이온 전도도를 증진시키기 위해 염, 예를 들면, 리튬 염(예컨대, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2)를 추가로 포함할 수 있다.The mechanical and electrical properties (eg, conductivity, resistivity) of these polymers are known. Accordingly, one of ordinary skill in the art can select suitable materials based on the mechanical and/or electrical properties (eg, ionic and/or electrical conductivity/resistivity) of the polymers and/or those polymers, in conjunction with the description herein, to the knowledge of the art. based on which it can be modified to be ionically conductive (eg, conductive to a single ion). For example, if desired, the polymeric materials listed above can be prepared with salts such as lithium salts (eg, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiSO 3 ) to enhance ionic conductivity. CH 3 , LiBF 4 , LiB(Ph) 4 , LiPF 6 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , and LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) may be further included.

사용하기에 적합한 세퍼레이터 및 세퍼레이터 물질의 추가 예는, 미국 특허 제6,153,337호(출원일: 1997년 12월 19일, 명칭: "Separators for electrochemical cells") 및 미국 특허 제6,306,545호(출원일: 1998년 12월 17일, 명칭:"Separators for electrochemical cells")에 기재된 미세다공성 제로겔 층, 예를 들면, 미세다공성 슈도-뵈마이트 층을 포함하는 것들을 포함하며, 이들은 자립형 필름으로서 또는 전극들 중 하나 상에 적접 코팅 적용에 의해 제공될 수 있다. 고체 전해질 및 겔 전해질은 이들의 전해질 기능 이외에 중합체 층으로서 또한 기능할 수 있다. 유용한 겔 중합체 전해질의 예는, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 옥사이드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리실록산, 폴리이미드, 폴리포스파젠, 폴리에터, 설폰화된 폴리이미드, 퍼플루오르화된 막(나피온 수지), 폴리다이비닐 폴리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트, 폴리에틸렌 글리콜 다이메타크릴레이트, 이들의 유도체, 이들의 공중합체, 이들의 가교결합형 및 네트워크 구조체, 및 이들의 블렌드, 및 임의적으로, 하나 이상의 가소제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 중합체를 포함하는 것들을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다.Additional examples of separators and separator materials suitable for use are described in U.S. Patent No. 6,153,337 (filed December 19, 1997, entitled "Separators for electrochemical cells") and U.S. Patent 6,306,545 (filed December 19, 1998) 17, titled "Separators for electrochemical cells"), including those comprising a layer of microporous zerogel, for example a layer of microporous pseudo-boehmite, either as a free-standing film or directly on one of the electrodes. It may be provided by application of a coating. Solid electrolytes and gel electrolytes may also function as polymer layers in addition to their electrolyte function. Examples of useful gel polymer electrolytes are polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polysiloxane, polyimide, polyphosphazene, polyether, sulfonated polyimide, perfluorinated membrane (Nafion resin), polydivinyl polyethylene glycol, polyethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol dimethacrylate, derivatives thereof, copolymers thereof, crosslinked and network structures thereof, and blends thereof, and optionally, one or more plasticizers. These include, but are not limited to, those comprising one or more polymers selected from the group consisting of.

세퍼레이터의 전부 또는 일부를 형성하기 위해 사용될 수 있는 다른 적합한 물질은, 모든 목적에서 전체가 본원에 참고로 인용된 미국 특허 출원 공보 제2010/0327811호(출원일: 2010년 7월 1일, 공개일: 2010년 12월 30일, 명칭: "Electrode Protection in Both Aqueous and Non-Aqueous Electromechanical Cells, Including Rechargeable Lithium Batteries")에 기재된 세퍼레이터 물질을 포함한다.Other suitable materials that may be used to form all or part of the separator are disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2010/0327811, filed July 1, 2010, published by reference herein in its entirety for all purposes: December 30, 2010, title: "Electrode Protection in Both Aqueous and Non-Aqueous Electromechanical Cells, Including Rechargeable Lithium Batteries").

본원에서 당업자는 세퍼레이터로서 사용하기에 적절한 물질을 선택할 수 있을 것이다. 이러한 선택을 할 때 고려될 수 있는 관련 인자는 하기를 포함한다: 세퍼레이터 물질의 이온 전도도; 전기화학 전지에서 다른 물질 상에 또는 이와 함께 세퍼레이터 물질을 침착하거나 형성하는 능력; 세퍼레이터 물질의 가요성; 세퍼레이터 물질의 공극률(예컨대, 전체 공극률, 평균 공극 크기, 공극 크기 분포, 및/또는 만곡도); 전기화학 전지를 제조하기 위해 이용되는 제조 공정과 세퍼레이터 물질의 상용성; 세퍼레이터 물질과 전기화학 전지의 전해질의 상용성; 및/또는 세퍼레이터 물질을 이온 전도체 물질에 부착시키는 능력. 특정 실시양태에서, 세퍼레이터 물질은, 기계적 망실 없이 이온 전도체 침착 공정에서 생존할 수 있는 능력에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 비교적 고온 또는 고압이 이온 전도체 물질(예컨대, 세라믹 이온 전도체 물질)을 형성하기 위해 사용되는 실시양태에서, 세퍼레이터 물질은 이런 고온 및 고압에 저항하도록 선택 또는 구성될 수 있다.One skilled in the art herein will be able to select suitable materials for use as separators. Relevant factors that may be considered when making this selection include: the ionic conductivity of the separator material; the ability to deposit or form a separator material on or with another material in an electrochemical cell; the flexibility of the separator material; porosity (eg, overall porosity, average pore size, pore size distribution, and/or curvature) of the separator material; compatibility of the separator material with the manufacturing process used to fabricate the electrochemical cell; compatibility of separator materials with electrolytes in electrochemical cells; and/or the ability to adhere the separator material to the ion conductor material. In certain embodiments, the separator material may be selected based on its ability to survive the ion conductor deposition process without mechanical loss. For example, in embodiments in which relatively high temperatures or high pressures are used to form ionic conductor materials (eg, ceramic ion conductor materials), the separator material may be selected or configured to resist such high temperatures and pressures.

당업자는, 후보 물질로부터 적절한 세퍼레이터 물질을 선택하기 위해 단순한 스크리닝 시험을 이용할 수 있다. 하나의 단순한 스크리닝 시험은, 전기적 분리를 유지하면서, 기능하기 위해 물질을 가로지르는(예컨대, 물질의 공극을 통해) 이온 종의 통과를 필요로 하는 전기화학 전지 내에 세퍼레이터로서 물질을 위치시키는 것을 포함한다. 이 시험에서 물질이 실질적으로 이온 전도성인 경우면, 전기화학 전지의 방전 시에 전류가 생성될 것이다. 또 다른 단순한 스크리닝 시험은, 본원에 기재된 다양한 방법에 의해 중합체의 표면 에너지를 증가시키는 능력을 포함한다. 스크리닝 시험은 또한 본원에 기재된 세퍼레이터와 이온 전도체 층 사이의 접착성을 시험하는 것을 포함할 수도 있다. 또 다른 스크리닝 시험은 전기화학 전지에서 사용되는 전해질의 존재 하에 팽창되지 않는 세퍼레이터의 능력을 시험하는 것을 포함할 수 있다. 다른 단순한 시험이 당업자에 의해 수행될 수 있다.A person skilled in the art can use a simple screening test to select an appropriate separator material from a candidate material. One simple screening test involves placing the material as a separator in an electrochemical cell that requires the passage of ionic species across the material (e.g., through pores in the material) to function while maintaining electrical separation. . If the material in this test is substantially ionically conductive, an electric current will be generated upon discharge of the electrochemical cell. Another simple screening test involves the ability to increase the surface energy of a polymer by various methods described herein. The screening test may also include testing the adhesion between the separator described herein and the ion conductor layer. Another screening test may include testing the ability of the separator to not expand in the presence of electrolytes used in electrochemical cells. Other simple tests can be performed by those skilled in the art.

세퍼레이터의 두께는 변할 수 있다. 세퍼레이터의 두께는, 예컨대 5 마이크론 내지 40 마이크론 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 예컨대, 세퍼레이터의 두께는, 10 마이크론 내지 20 마이크론, 20 마이크론 내지 30 마이크론, 또는 20 마이크론 내지 40 마이크론일 수 있다. 세퍼레이터의 두께는, 예컨대 40 마이크론 이하, 30 마이크론 이하, 25 마이크론 이하, 10 마이크론 이하, 또는 9 마이크론 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터는 9 마이크론 이상의 두께, 10 마이크론 이상의 두께, 20 마이크론 이상의 두께, 25 마이크론 이상의 두께, 30 마이크론 이상의 두께, 또는 40 마이크론 이상의 두께이다. 다른 두께도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다.The thickness of the separator may vary. The thickness of the separator may vary, for example, over the range of 5 microns to 40 microns. For example, the thickness of the separator may be from 10 microns to 20 microns, from 20 microns to 30 microns, or from 20 microns to 40 microns. The thickness of the separator may be, for example, 40 microns or less, 30 microns or less, 25 microns or less, 10 microns or less, or 9 microns or less. In some embodiments, the separator is at least 9 microns thick, at least 10 microns thick, at least 20 microns thick, at least 25 microns thick, at least 30 microns thick, or at least 40 microns thick. Other thicknesses are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible.

본원에 기재된 바와 같이, 세퍼레이터는 평활한 표면을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 세퍼레이터의 RMS 표면 조도는, 예를 들면 1 μm 미만일 수 있다. 특정 실시양태에서, 이런 표면에서의 RMS 표면 조도는, 예를 들면, 0.5 nm 내지 1 μm(예컨대, 0.5 nm 내지 10 nm, 10 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 100 nm, 50 nm 내지 200 nm, 10 nm 내지 500 nm)일 수 있다. 일부 실시양태에서, RMS 표면 조도는 0.9 μm 이하, 0.8 μm 이하, 0.7 μm 이하, 0.6 μm 이하, 0.5 μm 이하, 0.4 μm 이하, 0.3 μm 이하, 0.2 μm 이하, 0.1 μm 이하, 75 nm 이하, 50 nm 이하, 25 nm 이하, 10 nm 이하, 5 nm 이하, 2 nm 이하, 또는 1 nm 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, RMS 표면 조도는 1 nm 초과, 5 nm 초과, 10 nm 초과, 50 nm 초과, 100 nm 초과, 200 nm 초과, 500 nm 초과, 또는 700 nm 초과일 수 있다. 다른 값도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 0.5 μm 이하 10 nm 초과의 RMS 표면 조도). As described herein, the separator may have a smooth surface. In some embodiments, the RMS surface roughness of the separator can be, for example, less than 1 μm. In certain embodiments, the RMS surface roughness at such a surface is, for example, between 0.5 nm and 1 μm (eg, between 0.5 nm and 10 nm, between 10 nm and 50 nm, between 10 nm and 100 nm, between 50 nm and 200 nm; 10 nm to 500 nm). In some embodiments, the RMS surface roughness is 0.9 μm or less, 0.8 μm or less, 0.7 μm or less, 0.6 μm or less, 0.5 μm or less, 0.4 μm or less, 0.3 μm or less, 0.2 μm or less, 0.1 μm or less, 75 nm or less, 50 nm or less, 25 nm or less, 10 nm or less, 5 nm or less, 2 nm or less, or 1 nm or less. In some embodiments, the RMS surface roughness can be greater than 1 nm, greater than 5 nm, greater than 10 nm, greater than 50 nm, greater than 100 nm, greater than 200 nm, greater than 500 nm, or greater than 700 nm. Other values are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible (eg RMS surface roughness of less than or equal to 0.5 μm and greater than 10 nm).

본원에 기재된 바와 같이, 세퍼레이터는 다공성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 공극 크기는, 예를 들면, 5 마이크론 미만일 수 있다. 특정 실시양태에서, 중합체 공극 크기는 50 nm 내지 5 마이크론, 50 nm 내지 500 nm, 100 nm 내지 300 nm, 300 nm 내지 1 마이크론, 또는 500 nm 내지 5 마이크론일 수 있다. 일부 실시양태에서, 공극 크기는 5 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 500 nm 이하, 300 nm 이하, 100 nm 이하, 또는 50 nm 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 공극 크기는 50 nm 초과, 100 nm 초과, 300 nm 초과, 500 nm 초과, 또는 1 마이크론 초과일 수 있다. 다른 값도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 300 nm 미만 100 nm 초과의 공극 크기). As described herein, the separator may be porous. In some embodiments, the polymer pore size can be, for example, less than 5 microns. In certain embodiments, the polymer pore size may be between 50 nm and 5 microns, between 50 nm and 500 nm, between 100 nm and 300 nm, between 300 nm and 1 micron, or between 500 nm and 5 microns. In some embodiments, the pore size may be 5 microns or less, 1 micron or less, 500 nm or less, 300 nm or less, 100 nm or less, or 50 nm or less. In some embodiments, the pore size may be greater than 50 nm, greater than 100 nm, greater than 300 nm, greater than 500 nm, or greater than 1 micron. Other values are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible (eg pore sizes less than 300 nm and greater than 100 nm).

본원에 기재된 바와 같이, 이온 전도체 층에 인접하게 위치되는 세퍼레이터의 평균 공극 직경에 대한 상대적 이온 전도체 층의 두께는 2개의 층의 접착 강도 정도에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 이온 전도체 층의 두께는 세퍼레이터의 평균 공극 직경(또는 최대 공극 직경)보다 클 수 있다. 특정 실시양태에서, 이온 전도체 층의 평균 두께는 이온 전도체 층에 인접한 세퍼레이터의 평균 공극 크기(또는 최대 공극 직경)의 1.1 배 이상, 1.2 배 이상, 1.5 배 이상, 1.7 배 이상, 2 배 이상, 2.5 배 이상, 2.7 배 이상, 2.8 배 이상, 3.0 배 이상, 3.2 배 이상, 3.5 배 이상, 3.8 배 이상, 4.0 배 이상, 5.0 배 이상, 7.0 배 이상, 10.0 배 이상, 또는 20.0 배 이상이다. 특정 실시양태에서, 이온 전도체 층의 평균 두께는 이온 전도체 층에 인접한 세퍼레이터의 평균 공극 크기(또는 최대 공극 직경)의 20.0 배 이하, 10.0 배 이하, 7.0 배 이하, 5.0 배 이하, 4.0 배 이하, 3.8 배 이하, 3.5 배 이하, 3.2 배 이하, 3.0 배 이하, 2.8 배 이하, 2.5 배 이하, 또는 2 배 이하일 수 있다. 평균 공극 직경 및 이온 전도체 층 두께의 다른 조합도 또한 가능하다. As described herein, the thickness of the ion conductor layer relative to the average pore diameter of the separator positioned adjacent to the ion conductor layer can affect the degree of adhesion strength of the two layers. For example, the thickness of the ion conductor layer may be greater than the average pore diameter (or maximum pore diameter) of the separator. In certain embodiments, the average thickness of the ion conductor layer is at least 1.1 times, at least 1.2 times, at least 1.5 times, at least 1.7 times, at least 2 times, 2.5 times the average pore size (or maximum pore diameter) of the separator adjacent to the ion conductor layer. 2x or more, 2.7 times or more, 2.8 times or more, 3.0 times or more, 3.2 times or more, 3.5 times or more, 3.8 times or more, 4.0 times or more, 5.0 times or more, 7.0 times or more, 10.0 times or more, or 20.0 times or more. In certain embodiments, the average thickness of the ion conductor layer is 20.0 times or less, 10.0 times or less, 7.0 times or less, 5.0 times or less, 4.0 times or less, 3.8 times or less, the average pore size (or maximum pore diameter) of the separator adjacent to the ion conductor layer. times less than or equal to 3.5 times, less than or equal to 3.2 times, less than or equal to 3.0 times, less than or equal to 2.8 times, less than or equal to 2.5 times, or less than or equal to 2 times. Other combinations of average pore diameter and ion conductor layer thickness are also possible.

이온 전도체 층의 두께 : 세퍼레이터의 평균 공극 직경의 비는, 예를 들면, 적어도 1:1(예컨대, 1.1:1), 적어도 2:1, 적어도 3:2, 적어도 3:1, 적어도 4:1, 적어도 5:1, 또는 적어도 10:1일 수 있다. 이온 전도체 층의 두께 : 세퍼레이터의 평균 공극 직경의 비는 10:1 이하, 5:1 이하, 3:1 이하, 2:1 이하(예컨대, 1.1:1), 또는 1:1 이하일 수 있다. 다른 비도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다.The ratio of the thickness of the ion conductor layer to the average pore diameter of the separator is, for example, at least 1:1 (eg 1.1:1), at least 2:1, at least 3:2, at least 3:1, at least 4:1 , at least 5:1, or at least 10:1. The ratio of the thickness of the ion conductor layer to the average pore diameter of the separator may be 10:1 or less, 5:1 or less, 3:1 or less, 2:1 or less (eg, 1.1:1), or 1:1 or less. Other rains are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible.

본원에 기재된 바와 같이, 다양한 방법들이 이온 전도체/세퍼레이터 복합체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 복합체의 두께는, 예를 들면 5 마이크론 내지 40 마이크론 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 예컨대, 복합체의 두께는 10 내지 20 마이크론, 20 내지 30 마이크론, 또는 20 내지 40 마이크론일 수 있다. 복합체의 두께는, 예를 들면, 40 마이크론 이하, 30 마이크론 이하, 25 마이크론 이하, 10 마이크론 이하, 9 마이크론 이하, 또는 7 마이크론 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 복합체는 5 마이크론 이상의 두께, 7 마이크론 이상의 두께, 9 마이크론 이상의 두께, 10 마이크론 이상의 두께, 20 마이크론 이상의 두께, 25 마이크론 이상의 두께, 30 마이크론 이상의 두께, 또는 40 마이크론 이상의 두께이다. 다른 두께도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. As described herein, a variety of methods can be used to form the ion conductor/separator composite. The thickness of the composite may vary over the range of, for example, 5 microns to 40 microns. For example, the thickness of the composite may be between 10 and 20 microns, between 20 and 30 microns, or between 20 and 40 microns. The thickness of the composite may be, for example, 40 microns or less, 30 microns or less, 25 microns or less, 10 microns or less, 9 microns or less, or 7 microns or less. In some embodiments, the composite is at least 5 microns thick, at least 7 microns thick, at least 9 microns thick, at least 10 microns thick, at least 20 microns thick, at least 25 microns thick, at least 30 microns thick, or at least 40 microns thick. Other thicknesses are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible.

일부 실시양태에서, 복합체의 평균 이온 전도도(예컨대, 리튬 이온 전도도)는 약 10-7 S/cm 이상, 약 10-6 S/cm 이상, 약 10-5 S/cm 이상, 약 10-4 S/cm 이상, 약 10-2 S/cm 이상, 약 10-1 S/cm 이상, 약 1 S/cm 이상, 또는 약 10 S/cm 이상이다. 전도도는 실온(예컨대, 25℃)에서 측정될 수 있다.In some embodiments, the composite has an average ionic conductivity (eg, lithium ion conductivity) of about 10 -7 S/cm or greater, about 10 -6 S/cm or greater, about 10 -5 S/cm or greater, about 10 -4 S or greater. /cm or more, about 10 -2 S/cm or more, about 10 -1 S/cm or more, about 1 S/cm or more, or about 10 S/cm or more. Conductivity can be measured at room temperature (eg, 25° C.).

이온 전도체 층 및 세퍼레이터를 포함하는 본원에 기재된 복합체 구조체는, 보호된 전극을 형성하기 위한 전기활성 물질과 함께 단독으로(임의적으로는 적합한 구성요소, 예컨대 취급용 기재와 함께) 패키징되거나 또는 전기화학 전지로 조립되는 자립형 구조체일 수 있다.The composite structures described herein comprising an ion conductor layer and a separator can be packaged alone (optionally with suitable components such as handling substrates) together with an electroactive material to form a protected electrode or electrochemical cell It may be a self-supporting structure assembled with

특정 실시양태에서, 전기화학 전지는, 전기활성 물질을 포함하는 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체를 포함한다. 상기 복합체는 평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하는 세퍼레이터 및 세퍼레이터에 결합된 무기 이온 전도체 층을 포함한다. 상기 세퍼레이터는 104 Ohm 미터 이상(예컨대, 1010 Ohm 미터 이상, 또는 1015 Ohm 미터 이상, 예컨대, 1010 Ohm 미터 내지 1015 Ohm 미터 이상)의 벌크 전자 저항률을 가질 수 있다. 상기 무기 이온 전도체 층은 10-6 S/cm 이상의 리튬-이온) 전도도를 갖고, 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함한다.In certain embodiments, an electrochemical cell comprises a first electrode comprising an electroactive material, a second electrode, and a composite positioned between the first electrode and the second electrode. The composite includes a separator comprising pores having an average pore size and an inorganic ion conductor layer bonded to the separator. The separator may have a bulk electronic resistivity of 10 4 Ohm meters or greater (eg, 10 10 Ohm meters or greater, or 10 15 Ohm meters or greater, such as 10 10 Ohm meters to 10 15 Ohm meters or greater). The inorganic ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of 10 −6 S/cm or more) and includes lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20% by weight.

리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층은 제 1 전극 및 세퍼레이터와 각각 직접 접촉하는 단일 층일 수 있다. 다른 경우에서, 이온 전도체 층은, 하나 초과의 이온 전도체 층을 포함하는 다층화된 구조체의 일부이다. 임의적으로, 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층은 상이한 물질로 형성된다. 다른 경우에서, 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층은 동일한 물질로 형성된다.The ion conductor layer comprising lithium oxysulfide may be a single layer in direct contact with the first electrode and the separator, respectively. In other cases, the ion conductor layer is part of a multilayered structure comprising more than one ion conductor layer. Optionally, two or more layers of the multilayered structure are formed of different materials. In other cases, two or more layers of the multilayered structure are formed of the same material.

리튬 옥시설파이드는 화학식 x(yLi2S+zLi2O)+MS2(상기 식에서, M은 Si, Ge, 또는 Sn이다)을 가질 수 있고, 이때 y+z=1이고, x는 0.5 내지 3일 수 있다. 임의적으로, 이온 전도체 층은 무기 이온 전도체 물질의 0 중량% 내지 30 중량%의 유리 형성 첨가제를 포함한다. 또한, 이온 전도체 층은, 본원에 기재된 다른 염도 또한 가능하지만, 임의적으로 하나 이상의 리튬 염, 예를 들면 LiI, LiBr, LiCl, Li2CO3, 및/또는 Li2SO4를 포함할 수 있다. 하나 이상의 리튬 염을, 예컨대, 0 내지 50 몰%로 무기 이온 전도체 물질에 첨가할 수 있다.Lithium oxysulfide may have the formula x(yLi 2 S+zLi 2 O)+MS 2 , wherein M is Si, Ge, or Sn, wherein y+z=1 and x is 0.5 to 3 can be Optionally, the ion conductor layer comprises 0% to 30% by weight of the glass forming additive of the inorganic ion conductor material. The ion conductor layer may also optionally include one or more lithium salts, such as LiI, LiBr, LiCl, Li 2 CO 3 , and/or Li 2 SO 4 , although other salts described herein are also possible. One or more lithium salts may be added to the inorganic ion conductor material, for example, from 0 to 50 mole %.

세퍼레이터와 무기 이온 전도체 층 사이의 접착 강도는, 일부 경우에서, 표준 ASTM D3359-02에 따른 테이프 시험을 통과하기에 충분해 강할 수 있다. 일부 경우에서, 세퍼레이터와 무기 이온 전도체 층 사이의 접착 강도는 350 N/m 이상 또는 500 N/m 이상일 수 있다. 일부 예에서, 무기 이온 전도체 층은 상기 세퍼레이터에 공유 결합에 의해 결합된다. 공유 결합은 본원에 기재된 적합한 방법에 의해 달성될 수 있고, 하나의 실시양태는 무기 이온 전도체 층 및 세퍼레이터의 첨가 또는 부가 이전에 세퍼레이터의 플라즈마 처리를 포함한다.The adhesive strength between the separator and the inorganic ion conductor layer may, in some cases, be strong enough to pass the tape test according to standard ASTM D3359-02. In some cases, the adhesive strength between the separator and the inorganic ion conductor layer may be at least 350 N/m or at least 500 N/m. In some examples, the inorganic ion conductor layer is covalently bonded to the separator. Covalent bonding may be accomplished by any suitable method described herein, one embodiment comprising the addition or plasma treatment of the inorganic ion conductor layer and the separator prior to or addition of the separator.

일부 예에서, 상기 무기 이온 전도체 층의 두께 : 상기 세퍼레이터의 평균 공극 크기의 비는 적어도 1.1:1(예컨대, 적어도 2:1, 적어도 3:1, 또는 적어도 5:1)이다.In some examples, the ratio of the thickness of the inorganic ion conductor layer to the average pore size of the separator is at least 1.1:1 (eg, at least 2:1, at least 3:1, or at least 5:1).

무기 이온 전도체 층은 2.0 마이크론 이하(예컨대, 1.5 마이크론 이하, 1.3 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 800 nm 이하, 600 nm 이하, 또는 400 nm 내지 600 nm)의 두께를 갖는다. The inorganic ion conductor layer has a thickness of 2.0 microns or less (eg, 1.5 microns or less, 1.3 microns or less, 1 micron or less, 800 nm or less, 600 nm or less, or 400 nm to 600 nm).

일부 예에서, 5 마이크론 내지 40 마이크론의 두께를 갖는 세퍼레이터가 포함된다. 세퍼레이터는 고체형 중합체 세퍼레이터이다. 예컨대, 세퍼레이터는, 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤(등록상표))(노멕스(등록상표))(케블라(등록상표))), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하거나 이로 형성될 수 있다. 세퍼레이터는 또한 본원에 기재된 다른 중합체 또는 물질을 포함하거나 이로 형성될 수 있다.In some examples, a separator having a thickness of 5 microns to 40 microns is included. The separator is a solid polymer separator. For example, the separator may be poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide (eg, polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly(hexamethylene) adipamide) (nylon 66)), polyimides (such as polynitrile, and poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton®) (Nomex®) ( Kevlar®)), polyether ether ketone (PEEK), and combinations thereof. The separator may also include or be formed from other polymers or materials described herein.

특정 실시양태에서, 세퍼레이터는, 세라믹 또는 유리질/세라믹 물질을 포함하는 충전제, 예컨대 이온 전도체 층에 대해 본원에 기재된 물질과 중합체 결합제의 혼합물을 포함할 수 있다.In certain embodiments, the separator may comprise a filler comprising a ceramic or glassy/ceramic material, such as a mixture of the material described herein for an ion conductor layer and a polymeric binder.

세퍼레이터는 5 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 0.5 마이크론 이하, 0.05 내지 5 마이크론, 또는 0.1 내지 0.3 마이크론의 평균 공극 크기를 가질 수 있다.The separator may have an average pore size of 5 microns or less, 1 micron or less, 0.5 microns or less, 0.05 to 5 microns, or 0.1 to 0.3 microns.

복합체는, 걸리 시험 TAPPI 표준 T 536 om-12에 따라, 20,000 걸리-초 이상, 40,000 걸리-초 이상, 60,000 걸리-초 이상, 80,000 걸리-초 이상, 100,000 걸리-초 이상, 또는 120,000 걸리-초 이상의 공기 투과 시간을 가질 수 있다. 복합체는 공기 투과 시간 걸리 시험 TAPPI 표준 T 536 om-12에 따라, 300,000 걸리-초 이하의 공기 투과 시간을 가질 수 있다.The composite is, according to the Gurley test TAPPI standard T 536 om-12, at least 20,000 Gurley-seconds, at least 40,000 Gurley-seconds, at least 60,000 Gurley-seconds, at least 80,000 Gurley-seconds, at least 100,000 Gurley-seconds, or at least 120,000 Gurley-seconds. It may have a longer air permeation time. The composite may have an air permeation time of 300,000 Gurley-seconds or less, according to the air permeation time Gurley test TAPPI standard T 536 om-12.

복합체는, 예컨대, 진공 침착 공정, 예컨대 전자 빔 증발, 또는 스퍼터링 공정에 의해 이온 전도체 층을 세퍼레이터 상에 침착시킴에 의해 형성될 수 있다.The composite may be formed by, for example, depositing an ion conductor layer on the separator by a vacuum deposition process such as electron beam evaporation, or a sputtering process.

본원에 기재된 복합체는 다양한 전기화학 전지에서 사용될 수 있지만, 한 세트의 실시양태에서, 복합체는 리튬 전지, 예컨대 리튬-황 전지 내에 포함된다. 따라서, 제 1 전극은 제 1 전기활성 물질로서 리튬, 예컨대 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함할 수 있고, 제 2 전극은 제 2 전기활성 물질로서 황을 포함한다.Although the composites described herein can be used in a variety of electrochemical cells, in one set of embodiments, the composites are comprised within a lithium cell, such as a lithium-sulfur cell. Thus, the first electrode may comprise lithium, such as lithium metal and/or a lithium alloy, as the first electroactive material, and the second electrode comprises sulfur as the second electroactive material.

한 세트의 실시양태에서, 전기화학 전지는, 리튬을 포함하는 제 1 전극, 황을 포함하는 제 2 전극, 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배열되는 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터와 접촉 및/또는 이에 결합된 고체 이온 전도체를 포함하는 리튬-황 전지이며, 이때 상기 고체 이온 전도체는 리튬-이온 전도성 옥시설파이드를 포함한다.In one set of embodiments, an electrochemical cell comprises: a first electrode comprising lithium, a second electrode comprising sulfur, a separator arranged between the first electrode and the second electrode, and in contact with and/or the separator A lithium-sulfur battery comprising a solid ion conductor bound thereto, wherein the solid ion conductor comprises a lithium-ion conducting oxysulfide.

예컨대, 다중-층 보호 구조체의 일부로서 중합체 층이 기재(예컨대, 이온 전도체 층) 상에 위치되는 실시양태에서, 중합체 층은 기재 상에서 경화되거나 또는 기재 상에서 직접 제조될 수 있거나, 또는 중합체는 별도로 기재에 첨가될 수 있다. For example, in embodiments in which a polymer layer is positioned on a substrate (eg, an ionic conductor layer) as part of a multi-layer protective structure, the polymer layer may be cured on or prepared directly on the substrate, or the polymer may be separately described. can be added to

중합체 층은 고체(예컨대, 겔과는 반대로)일 수 있다. 특정 실시양태에서, 중합체 층은, 전기적 비-전도성인 것으로 구성될 수 있고, 약 104 Ohm-미터 이상, 약 105 Ohm-미터 이상, 약 1010 Ohm-미터 이상, 약 1015 Ohm-미터 이상, 또는 약 1020 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 물질로부터 제조될 수 있다. The polymer layer may be solid (eg, as opposed to a gel). In certain embodiments, the polymeric layer can be configured to be electrically non-conductive, and is about 10 4 Ohm-meter or greater, about 10 5 Ohm-meter or greater, about 10 10 Ohm-meter or greater, about 10 15 Ohm-meter or greater, and about 10 15 Ohm-meter or greater. or greater, or from a material having a bulk electronic resistivity greater than or equal to about 10 20 Ohm-meters.

일부 실시양태에서, 중합체는 이온 전도성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체의 평균 이온 전도도는 약 10-7 S/cm 이상, 약 10-6 S/cm 이상, 약 10-5 S/cm 이상, 약 10-4 S/cm 이상, 약 10-2 S/cm 이상, 또는 약 10-1 S/cm 이상이다. 특정 실시양태에서, 중합체의 평균 이온 전도도는 약 1 S/cm 이하, 약 10-1 S/cm 이하, 약 10-2 S/cm 이하, 약 10-3 S/cm 이하, 약 10-4 S/cm 이하, 약 10-5 S/cm 이하, 약 10-6 S/cm 이하, 약 10-7 S/cm 이하, 또는 약 10-8 S/cm 이하일 수 있다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다(예컨대, 약 10-8 S/cm 이상 약 10-1 S/cm 이하의 평균 이온 전도도). 전도도는 실온(예컨대, 25℃)에서 측정될 수 있다.In some embodiments, the polymer may be ionically conductive. In some embodiments, the average ionic conductivity of the polymer is at least about 10 -7 S/cm, at least about 10 -6 S/cm, at least about 10 -5 S/cm, at least about 10 -4 S/cm, at least about 10 − 2 S/cm or more, or about 10 -1 S/cm or more. In certain embodiments, the average ionic conductivity of the polymer is about 1 S/cm or less, about 10 -1 S/cm or less, about 10 -2 S/cm or less, about 10 -3 S/cm or less, about 10 -4 S /cm or less, about 10 -5 S/cm or less, about 10 -6 S/cm or less, about 10 -7 S/cm or less, or about 10 -8 S/cm or less. Combinations of the ranges described above are also possible (eg, an average ionic conductivity of at least about 10 −8 S/cm and less than or equal to about 10 −1 S/cm). Conductivity can be measured at room temperature (eg, 25° C.).

본원에 기재된 중합체 층은 다양한 물질로 제조될 수 있다. 중합체 층에서 사용하기에 적합할 수 있는 물질의 예는, 폴리아민(예컨대, 폴리(에틸렌 이민) 및 폴리프로필렌 이민 (PPI)); 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리이미드, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤)); 비닐 중합체(예컨대, 폴리아크릴아마이드, 폴리(2-비닐 피리딘), 폴리(N-비닐피롤리돈), 폴리(메틸시아노아크릴레이트), 폴리(에틸시아노아크릴레이트), 폴리(부틸시아노아크릴레이트), 폴리(이소부틸시아노아크릴레이트), 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알코올), 폴리(비닐 클로라이드), 폴리(비닐 플루오라이드), 폴리(2-비닐 피리딘), 비닐 중합체, 폴리클로로트라이플루오로 에틸렌, 및 폴리(이소헥이실시아노아크릴레이트)); 폴리아세탈; 폴리올레핀s (예컨대, 폴리(부텐-1), 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌); 폴리에스터(예컨대, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리하이드록시부티레이트); 폴리에터 (폴리(에틸렌 옥사이드)(PEO), 폴리(프로필렌 옥사이드)(PPO), 폴리(테트라메틸렌 옥사이드)(PTMO)); 비닐리덴 중합체(예컨대, 폴리이소부틸렌, 폴리(메틸 스티렌), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 폴리(비닐리덴 플루오라이드)); 폴리아라마이드(예컨대, 폴리(이미노-1,3-페닐렌 이미노이소프탈로일) 및 폴리(이미노-1,4-페닐렌 이미노테레프탈로일)); 폴리헤테로방향족 화합물(예컨대, 폴리벤즈이미다졸(PBI), 폴리벤조비속사졸(PBO) 및 폴리벤조비스티아졸(PBT)); 폴리헤테로환형 화합물(예컨대, 폴리피롤); 폴리우레탄; 페놀성 중합체(예컨대, 페놀-포름알데하이드); 폴리알킨(예컨대, 폴리아세틸렌); 폴리디엔(예컨대, 1,2-폴리부타디엔, 시스 또는 트랜스-1,4-폴리부타디엔); 폴리실록산(예컨대, 폴리(다이메틸실록산)(PDMS), 폴리(다이에틸실록산)(PDES), 폴리다이페닐실록산(PDPS), 및 폴리메틸페닐실록산(PMPS)); 및 무기 중합체(예컨대, 폴리포스파젠, 폴리포스포네이트, 폴리실이란, 폴리실라잔)을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 중합체는 폴리비닐 알코올, 폴리이소부틸렌, 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이들 중합체의 기계적 및 전기적 특성(예컨대, 전도도, 저항률)은 공지되어 있다. 따라서, 당업자는 중합체의 기계적 및/또는 전기적 특성(예컨대, 이온 및/또는 전기 전도도)에 기초하여 적합한 물질을 선택할 수 있고/있거나, 이들 중합체를, 본원의 설명과 함께 당업계의 지식에 기초하여 이온적으로 전도성(예컨대, 단일 이온에 대해 전도성)이 되도록 개질할 수 있다. 예를 들면, 필요한 경우, 상기 열거된 중합체 물질은, 이온 전도도를 증진시키기 위해 염, 예를 들면, 리튬 염(예컨대, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2)를 추가로 포함할 수 있다.The polymeric layers described herein can be made of a variety of materials. Examples of materials that may be suitable for use in the polymer layer include polyamines (eg, poly(ethylene imine) and polypropylene imine (PPI)); polyamides (such as polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly(hexamethylene adipamide) (nylon 66)), polyimides (such as polyimide, polynitrile, and poly (pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton)); Vinyl polymers (such as polyacrylamide, poly(2-vinyl pyridine), poly(N-vinylpyrrolidone), poly(methylcyanoacrylate), poly(ethylcyanoacrylate), poly(butylcyano) acrylate), poly(isobutylcyanoacrylate), poly(vinyl acetate), poly(vinyl alcohol), poly(vinyl chloride), poly(vinyl fluoride), poly(2-vinyl pyridine), vinyl polymer, polychlorotrifluoroethylene, and poly(isohexylcyanoacrylate)); polyacetal; polyolefins (eg, poly(butene-1), poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene); polyesters (eg, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyhydroxybutyrate); polyethers (poly(ethylene oxide) (PEO), poly(propylene oxide) (PPO), poly(tetramethylene oxide) (PTMO)); vinylidene polymers (eg, polyisobutylene, poly(methyl styrene), poly(methylmethacrylate) (PMMA), poly(vinylidene chloride), and poly(vinylidene fluoride)); polyaramids (such as poly(imino-1,3-phenylene iminoisophthaloyl) and poly(imino-1,4-phenylene iminoterephthaloyl)); polyheteroaromatic compounds (such as polybenzimidazole (PBI), polybenzobisoxazole (PBO) and polybenzobisthiazole (PBT)); polyheterocyclic compounds (eg, polypyrrole); Polyurethane; phenolic polymers (eg, phenol-formaldehyde); polyalkynes (eg, polyacetylene); polydiene (eg, 1,2-polybutadiene, cis or trans-1,4-polybutadiene); polysiloxanes such as poly(dimethylsiloxane) (PDMS), poly(diethylsiloxane) (PDES), polydiphenylsiloxane (PDPS), and polymethylphenylsiloxane (PMPS)); and inorganic polymers (eg, polyphosphazenes, polyphosphonates, polysilans, polysilazanes). In some embodiments, the polymer may be selected from the group consisting of polyvinyl alcohol, polyisobutylene, epoxy, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, and combinations thereof. The mechanical and electrical properties (eg, conductivity, resistivity) of these polymers are known. Accordingly, one skilled in the art can select suitable materials based on the mechanical and/or electrical properties (eg, ionic and/or electrical conductivity) of the polymers and/or can select these polymers based on their knowledge in the art in conjunction with the description herein. It can be modified to be ionically conductive (eg, conductive to a single ion). For example, if desired, the polymeric materials listed above can be prepared with salts such as lithium salts (eg, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiSO 3 ) to enhance ionic conductivity. CH 3 , LiBF 4 , LiB(Ph) 4 , LiPF 6 , LiC(SO 2 CF 3 ) 3 , and LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) may be further included.

본원에서 당업자는 중합체 층으로서 사용하기 위한 적절한 물질을 선택할 수 있을 것이다. 이런 선택을 수행할 때에 고려될 수 있는 상대적 인자는, 중합체 물질의 이온 전도도; 전기화학 전지 내의 다른 물질 상에 또는 다른 물질과 함께 중합체 물질을 침착 또는 형성하는 능력; 중합체 물질의 가요성; 중합체 물질의 공극률(예컨대, 전체 공극률, 공극 크기 분포, 및/또는 만곡도); 전기화학 전지를 제조하기 위해 이용되는 제조 공정과 중합체 물질의 상용성; 중합체 물질과 전기화학 전지의 전해질의 상용성; 및/또는 중합체 물질을 이온 전도체 물질에 부착시키는 능력을 포함한다.One skilled in the art herein will be able to select an appropriate material for use as the polymer layer. Relative factors that may be taken into account when making this selection are the ionic conductivity of the polymeric material; the ability to deposit or form a polymeric material on or with other materials in an electrochemical cell; the flexibility of the polymeric material; porosity (eg, overall porosity, pore size distribution, and/or curvature) of the polymeric material; compatibility of the polymeric material with the manufacturing process used to make the electrochemical cell; compatibility of polymeric materials with electrolytes in electrochemical cells; and/or the ability to attach the polymeric material to the ionic conductor material.

중합체 층의 두께는 변할 수 있다. 중합체 층의 두께는, 예컨대, 40 마이크론 이하, 30 마이크론 이하, 25 마이크론 이하, 10 마이크론 이하, 5 마이크론 이하, 3 마이크론 이하, 2 마이크론 이하, 1 마이크론 이하, 0.5 마이크론 이하, 0.1 마이크론 이하, 또는 0.05 마이크론 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 중합체 층은 0.01 마이크론 이상의 두께, 0.05 마이크론 이상의 두께, 0.1 마이크론 이상의 두께, 0.5 마이크론 이상의 두께, 1 마이크론 이상의 두께, 2 마이크론 이상의 두께, 5 마이크론 이상의 두께, 10 마이크론 이상의 두께, 20 마이크론 이상의 두께, 25 마이크론 이상의 두께, 30 마이크론 이상의 두께, 또는 40 마이크론 이상의 두께이다. 다른 두께도 또한 가능하다. 상기 기재된 범위들의 조합도 또한 가능하다. The thickness of the polymer layer may vary. The thickness of the polymer layer can be, for example, 40 microns or less, 30 microns or less, 25 microns or less, 10 microns or less, 5 microns or less, 3 microns or less, 2 microns or less, 1 micron or less, 0.5 microns or less, 0.1 microns or less, or 0.05 It can be sub-micron. In some embodiments, the polymer layer is at least 0.01 microns thick, at least 0.05 microns thick, at least 0.1 microns thick, at least 0.5 microns thick, at least 1 micron thick, at least 2 microns thick, at least 5 microns thick, at least 10 microns thick, 20 microns thick. greater than or equal to 25 microns thick, greater than or equal to 30 microns thick, or greater than or equal to 40 microns thick. Other thicknesses are also possible. Combinations of the ranges described above are also possible.

일부 실시양태에서, 전극, 예컨대 제 1 전극(예컨대, 도 1a 및 1b에서의 전극 (102))은 리튬을 포함하는 전기활성 물질을 포함한다. 리튬을 포함하는 적합한 전기활성 물질은, 리튬 금속(예컨대 리튬 포일 및/또는 전도성 기재 상에 침착된 리튬) 및 리튬 금속 합금(예컨대, 리튬-알루미늄 합금 및 리튬-주석 합금)을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 전극의 전기활성 리튬-함유 물질은 50 중량% 초과의 리튬를 포함한다. 일부 경우에서, 전극의 전기활성 리튬-함유 물질은 75 중량% 초과의 리튬을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 전극의 전기활성 리튬-함유 물질은 90 중량% 초과의 리튬을 포함한다. (예컨대, 음 전극일 수 있는 제 1 전극에서) 사용될 수 있는 전기활성 물질의 다른 예는, 다른 알칼리 금속(예컨대, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프란슘), 알칼리 토금속 (예컨대, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 라듐) 등을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 제 1 전극은 리튬 이온 전기화학 전지용 전극이다. 일부 경우에서, 제 1 전극은 애노드 또는 음 전극이다.In some embodiments, an electrode, such as a first electrode (eg, electrode 102 in FIGS. 1A and 1B ), comprises an electroactive material comprising lithium. Suitable electroactive materials comprising lithium include, but are not limited to, lithium metal (such as lithium deposited on lithium foils and/or conductive substrates) and lithium metal alloys (such as lithium-aluminum alloys and lithium-tin alloys). not limited In some embodiments, the electroactive lithium-containing material of the electrode comprises greater than 50 weight percent lithium. In some cases, the electroactive lithium-containing material of the electrode comprises greater than 75 weight percent lithium. In another embodiment, the electroactive lithium-containing material of the electrode comprises greater than 90 weight percent lithium. Other examples of electroactive materials that may be used (eg, in the first electrode, which may be the negative electrode) are other alkali metals (eg, sodium, potassium, rubidium, cesium, francium), alkaline earth metals (eg, beryllium, magnesium). , calcium, strontium, barium, radium) and the like). In some embodiments, the first electrode is an electrode for a lithium ion electrochemical cell. In some cases, the first electrode is an anode or negative electrode.

제 2 전극(예컨대, 도 1a 및 1b에서의 전극 (102))은 다양한 적합한 전기활성 물질을 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 제 2 전극은 캐쏘드 또는 양 전극이다.The second electrode (eg, electrode 102 in FIGS. 1A and 1B ) may comprise a variety of suitable electroactive materials. In some cases, the second electrode is a cathode or a positive electrode.

일부 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극) 내부의 전기활성 물질은 금속 옥사이드, 예컨대 LiCoO2, LiCoxNi(1-x)O2, LiCoxNiyMn(l-x-y)(예컨대, LiNi1 /3Mn1 /3Co1 /3O2), LiMn2O4, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극) 내의 전극 활성 물질은 리튬 전이 금속 포스페이트(예컨대, LiFePO4)를 포함할 수 있고, 이는, 특정 실시양태에서, 보레이트 및/또는 실리케이트로 치환될 수 있다.In some embodiments, the electroactive material inside the electrode (eg, positive electrode) is a metal oxide, such as LiCoO 2 , LiCo x Ni (1-x) O 2 , LiCo x Ni y Mn (lxy) ( eg, LiNi 1 / 3 Mn 1 /3 Co 1 /3 O 2 ), LiMn 2 O 4 , and combinations thereof. In some embodiments, the electrode active material in the electrode (eg, positive electrode) may include lithium transition metal phosphate (eg, LiFePO 4 ), which, in certain embodiments, may be substituted with borates and/or silicates. .

특정 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극) 내의 전기활성 물질은 전기활성 전이 금속 칼코게나이드, 전기활성 전도성 중합체, 및/또는 전기활성 황-함유 물질, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는 용어 "칼코게나이드"는 산소, 황 및 셀레늄의 원소 중 하나 이상을 함유하는 화합물을 지칭한다. 적합한 전이 금속 칼코게나이드의 예는, 이로서 한정하는 것은 아니지만, Mn, V, Cr, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Re, Os, 및 Ir로 구성된 군 중에서 선택된 전이 금속의 전기활성 옥사이드, 설파이드 및 셀레나이드를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 전이 금속 칼코게나이드는, 니켈, 망간, 코발트, 및 바나듐의 전기 활성 옥사이드, 및 철의 전기활성 설파이드로 구성된 군 중에서 선택된다. 하나의 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극)은 전기활성 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 적합한 전기활성 전도성 중합체의 예는, 이로서 한정하는 것은 아니지만, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리티오펜, 및 폴리아세틸렌으로 구성된 군 중에서 선택된, 전기활성 및 전기전도성 중합체를 포함한다. 특정 실시양태에서, 전도성 중합체로서 폴리피롤, 폴리아닐린, 및/또는 폴리아세틸렌을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.In certain embodiments, the electroactive material in the electrode (eg, positive electrode) can include an electroactive transition metal chalcogenide, an electroactive conductive polymer, and/or an electroactive sulfur-containing material, and combinations thereof. As used herein, the term “chalcogenide” refers to a compound containing one or more of the elements of oxygen, sulfur and selenium. Examples of suitable transition metal chalcogenides include, but are not limited to, Mn, V, Cr, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Hf, electroactive oxides, sulfides and selenides of transition metals selected from the group consisting of Ta, W, Re, Os, and Ir. In one embodiment, the transition metal chalcogenide is selected from the group consisting of electroactive oxides of nickel, manganese, cobalt, and vanadium, and electroactive sulfides of iron. In one embodiment, the electrode (eg, positive electrode) may comprise an electroactive conductive polymer. Examples of suitable electroactively conductive polymers include, but are not limited to, electroactive and electrically conductive polymers selected from the group consisting of polypyrrole, polyaniline, polyphenylene, polythiophene, and polyacetylene. In certain embodiments, it may be desirable to use polypyrrole, polyaniline, and/or polyacetylene as conductive polymers.

특정 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극) 내의 전극 활성 물질은 황을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극 내의 전기활성 물질은 전기활성 황-함유 물질을 포함할 수 있다. 본원에서 사용되는, "전기활성 황-함유 물질,"은, 임의의 형태의 원소 황을 포함하는 전극 활성 물질을 의미하며, 이때 전기화학적 활성은 황 원자 또는 잔기의 산화 또는 환원을 포함한다. 예로서, 전기활성 황-함유 물질은 원소 황(예컨대, S8)을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기활성 황-함유 물질은 원소 황 및 황-함유 중합체의 혼합물을 포함한다. 따라서, 적합한 전기활성 황-함유 물질은, 원소 황, 설파이드 또는 폴리설파이드(예컨대, 알칼리 금속의)를 포함할 수 있지만, 이들로 한정되지는 않고, 이들은 유기질 또는 무기질, 및 황 원자 및 탄소 원자를 포함하는 유기 물질일 수 있고, 이들은 중합체성일 수도 또는 아닐 수도 있다. 적합한 유기 물질은, 헤테로원자, 전도성 중합체 분절, 복합체, 및 전도성 중합체를 추가로 포함하는 것들을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 일부 실시양태에서, 전극(예컨대, 양 전극) 내의 전기활성 황-함유 물질은 약 40 중량% 이상의 황을 포함한다. 일부 경우에서, 전기활성 황-함유 물질은 약 50 중량% 이상, 약 75 중량% 이상, 또는 약 90 중량% 이상의 황을 포함한다.In certain embodiments, the electrode active material in the electrode (eg, positive electrode) may comprise sulfur. In some embodiments, the electroactive material in the electrode may comprise an electroactive sulfur-containing material. As used herein, "electroactive sulfur-containing material," means an electrode active material comprising any form of elemental sulfur, wherein the electrochemical activity includes the oxidation or reduction of a sulfur atom or moiety. As an example, the electroactive sulfur-containing material may include elemental sulfur (eg, S 8 ). In some embodiments, the electroactive sulfur-containing material comprises a mixture of elemental sulfur and a sulfur-containing polymer. Accordingly, suitable electroactive sulfur-containing materials may include, but are not limited to, elemental sulfur, sulfides or polysulfides (eg, of alkali metals), which are organic or inorganic, and contain sulfur and carbon atoms. organic materials, which may or may not be polymeric. Suitable organic materials include, but are not limited to, those further comprising heteroatoms, conductive polymer segments, composites, and conductive polymers. In some embodiments, the electroactive sulfur-containing material in the electrode (eg, positive electrode) comprises at least about 40 weight percent sulfur. In some cases, the electroactive sulfur-containing material comprises at least about 50 wt%, at least about 75 wt%, or at least about 90 wt% sulfur.

황-함유 중합체의 예는 스코타임(Skotheim) 등의 미국 특허 제5,601,947호 및 제5,690,702호; 스코타임 등의 미국 특허 제5,529,860호 및 6,117,590; 고르코벤코(Gorkovenko) 등의 미국 특허 제 6,201,100호(2001년 3월 13일 등록), 및 PCT 공개공보 WO 99/33130호에 기재된 것들을 포함한다. 폴리설파이드 연결기를 포함하는 다른 적합한 전기활성 황-함유 물질은 스코타임 등의 미국 특허 제5,441,831호; 페리차우드(Perichaud) 등의 미국 특허 제4,664,991호 및 나오이(Naoi) 등의 미국 특허 제5,723,230호, 제5,783,330호, 제5,792,575호 및 제5,882,819호에 기재되어 있다. 전기활성 황-함유 물질의 추가적 예는, 예를 들면 아만드(Armand) 등의 미국 특허 제4,739,018호; 드 종헤(De Jonghe) 등의 미국 특허 제4,833,048호 및 제4,917,974호; 비스코(Visco) 등의 미국 특허 제 5,162,175호 및 제5,516,598호; 및 오이마(Oyama) 등의 미국 특허 제5,324,599호에 기재된 다이설파이드 기를 포함하는 것들을 포함한다.Examples of sulfur-containing polymers are described in US Pat. Nos. 5,601,947 and 5,690,702 to Skotheim et al; US Pat. Nos. 5,529,860 and 6,117,590 to Scotime et al.; US Pat. No. 6,201,100 issued Mar. 13, 2001 to Gorkovenko et al., and PCT Publication No. WO 99/33130. Other suitable electroactive sulfur-containing materials comprising polysulfide linkages are described in US Pat. Nos. 5,441,831 to Scotime et al.; US Pat. Nos. 4,664,991 to Perichaud et al. and US Pat. Nos. 5,723,230, 5,783,330, 5,792,575 and 5,882,819 to Naoi et al. Additional examples of electroactive sulfur-containing materials are described, for example, in US Pat. Nos. 4,739,018 to Armand et al; US Pat. Nos. 4,833,048 and 4,917,974 to De Jonghe et al.; US Pat. Nos. 5,162,175 and 5,516,598 to Visco et al.; and those containing disulfide groups as described in U.S. Pat. No. 5,324,599 to Oyama et al.

황이 제 2 전극(이는 예를 들면 다공성 양 전극일 수 있음)에서의 전기활성 종으로서 우세하게 기재되었지만, 황이 본원에서 전극 내의 전기활성 물질의 구성요소로서 기재된 어느 곳이든지, 임의의 적합한 전기활성 종이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 특정 실시양태에서, 제 2 전극(예컨대, 다공성 양 전극) 내의 전기활성 종은 수소-흡수 합금, 예컨대 니켈 금속 하이브리드 배터리에서 통상적으로 사용되는 것들을 포함할 수 있다. 본원에서 당업자는, 본원에 기재된 아이디어를 다른 활성 물질을 사용하여 전극을 함유하는 전기화학 전지로 확장시킬 수 있을 것이다.Although sulfur is predominantly described as the electroactive species in the second electrode (which may for example be a porous positive electrode), wherever sulfur is described herein as a component of an electroactive material in an electrode, any suitable electroactive species may be used. For example, in certain embodiments, the electroactive species in the second electrode (eg, a porous positive electrode) may include hydrogen-absorbing alloys, such as those commonly used in nickel metal hybrid batteries. One skilled in the art herein will be able to extend the ideas described herein to electrochemical cells containing electrodes using other active materials.

본원에 기재된 실시양태는 임의의 유형의 전기화학 전지와 관련하여 사용될 수 있다. 특정 실시양태에서, 전기화학 전지는 1차(비-재충전성) 배터리이다. 다른 실시양태에서, 전기화학 전지는 2차(재충전성) 배터리일 수 있다. 특정 실시양태는 리튬 재충전성 배터리에 관한 것이다. 특정 실시양태에서, 전기화학 전지는 리튬-황 재충전성 배터리를 포함한다. 그러나, 리튬 배터리가 기재된 어느 곳이든, 임의의 유사한 알칼리 금속 배터리가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 실시양태가 리튬 애노드의 보호에 특히 유용하지만, 본원에 기재된 실시양태는 전극 보호가 요망되는 다른 적용례에 적용가능할 수 있다. The embodiments described herein may be used in connection with any type of electrochemical cell. In certain embodiments, the electrochemical cell is a primary (non-rechargeable) battery. In other embodiments, the electrochemical cell may be a secondary (rechargeable) battery. Certain embodiments relate to lithium rechargeable batteries. In certain embodiments, the electrochemical cell comprises a lithium-sulfur rechargeable battery. However, it will be understood that wherever lithium batteries are described, any similar alkali metal batteries may be used. Also, while embodiments of the present invention are particularly useful for the protection of lithium anodes, the embodiments described herein may be applicable to other applications where electrode protection is desired.

임의의 적합한 전해질이 본원에 기재된 전기화학 전지에서 사용될 수 있다. 일반적으로, 전해질의 선택은 전기화학 전지의 화학특성, 및 특히 전기화학 전지 내의 전극들 사이에 수송되는 이온 종에 좌우될 것이다. 일부 실시양태에서, 적합한 전해질은, 이온 전도도를 제공하는 하나 이상의 이온성 전해질 염 및 하나 이상의 액체 전해질 용매, 겔 중합체 물질, 또는 다른 중합체 물질을 포함할 수 있다. 유용한 비-수성 액체 전해질 용매의 예는, 비-수성 유기 용매, 예컨대 N-메틸 아세트아마이드, 아세토니트릴, 아세탈, 케탈, 에스터, 카보네이트, 설폰, 설파이트, 설폴란, 설폭사이드, 지방족 에터, 환형 에터, 글라임, 폴리에터, 포스페이트 에스터, 실록산, 다이옥솔란(예컨대, 1,3-다이옥솔란), N-알킬피롤리돈, 비스(트라이플루오로메탄설폰일)이미드, 전술한 것들의 치환된 형태, 및 이들의 블렌드를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 전술한 것들의 플루오르화된 유도체도 액체 전해질 용매로서 유용하다. 일부 경우에서, 수성 용매가 리튬 전지용 전해질로서 사용될 수 있다. 수성 용매는 물을 포함할 수 있고, 이는 다른 구성성분, 예컨대 이온성 염을 함유할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전해질은, 전해질 중의 수소 이온 농도를 감소시키기 위해, 종, 예컨대 리튬 하이드록사이드, 또는 전해질을 염기성으로 만드는 다른 종을 포함할 수 있다. Any suitable electrolyte may be used in the electrochemical cells described herein. In general, the choice of electrolyte will depend on the chemistry of the electrochemical cell, and in particular the ionic species transported between the electrodes in the electrochemical cell. In some embodiments, suitable electrolytes may include one or more ionic electrolyte salts that provide ionic conductivity and one or more liquid electrolyte solvents, gel polymeric materials, or other polymeric materials. Examples of useful non-aqueous liquid electrolyte solvents include non-aqueous organic solvents such as N-methyl acetamide, acetonitrile, acetal, ketal, ester, carbonate, sulfone, sulfite, sulfolane, sulfoxide, aliphatic ether, cyclic Ethers, glymes, polyethers, phosphate esters, siloxanes, dioxolane (such as 1,3-dioxolane), N-alkylpyrrolidone, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, of the foregoing substituted forms, and blends thereof. Fluorinated derivatives of the foregoing are also useful as liquid electrolyte solvents. In some cases, an aqueous solvent may be used as the electrolyte for a lithium battery. The aqueous solvent may comprise water, which may contain other constituents, such as ionic salts. In some embodiments, the electrolyte may include a species such as lithium hydroxide, or other species that renders the electrolyte basic, to reduce the concentration of hydrogen ions in the electrolyte.

전해질은 이온 전도도를 제공하기 위해 하나 이상의 이온성 전해질 염을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 리튬 염(예컨대, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO4, LiAsF6, LiSO3CF3, LiSO3CH3, LiBF4, LiB(Ph)4, LiPF6, LiC(SO2CF3)3, 및 LiN(SO2CF3)2)이 포함될 수 있다. 유용할 수 있는 다른 전해질 염은 리튬 폴리설파이드(Li2Sx), 및 유기 이온성 폴리설파이드(LiSxR)n의 리튬 염(이때, x는 1 내지 20의 정수이고, n은 1 내지 3의 정수이고, R은 유기 기이다), 및 리(Lee) 등의 미국 특허 제5,538,812호에 개시된 것들을 포함한다. 용매 중의 이온성 리튬 염의 농도 범위는, 예컨대 약 0.2 m 내지 약 2.0 m(m은 용매 mole/kg이다)로 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 약 0.5 m 내지 약 1.5 m 범위의 농도가 사용된다. 용매에 이온성 리튬 염을 첨가하는 것은, Li/S 전지의 방전 시 형성된 리튬 설파이드 또는 폴리설파이드는 전형적으로 이온 전도도를 전해질에 제공하고, 이는 이온성 리튬 염의 첨가를 불필요한 것으로 할 수 있다는 점에서, 임의적이다. The electrolyte may include one or more ionic electrolyte salts to provide ionic conductivity. In some embodiments, one or more lithium salts (eg, LiSCN, LiBr, LiI, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiSO 3 CH 3 , LiBF 4 , LiB(Ph) 4 , LiPF 6 , LiC(SO 2 ) CF 3 ) 3 , and LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) may be included. Other electrolyte salts that may be useful include lithium polysulfide (Li 2 S x ), and lithium salts of organic ionic polysulfide (LiS x R) n , where x is an integer from 1 to 20 and n is from 1 to 3 and R is an organic group), and those disclosed in U.S. Patent No. 5,538,812 to Lee et al. A concentration range of the ionic lithium salt in the solvent may be used, for example, from about 0.2 m to about 2.0 m, where m is mole/kg of solvent. In some embodiments, concentrations ranging from about 0.5 m to about 1.5 m are used. The addition of an ionic lithium salt to the solvent is advantageous in that the lithium sulfide or polysulfide formed upon discharging of the Li/S cell typically provides ionic conductivity to the electrolyte, which may render the addition of the ionic lithium salt unnecessary; It is arbitrary.

도면에 도시된 전기화학 전지 및 구성요소는 예시적이고, 구성요소의 배향은 변할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 비-평면적 배열, 도시된 것과 상이한 물질들의 분율에 의한 배열, 및 다른 대안적 배열이 본 발명의 특정 실시양태와 관련하여 유용하다. 또한 전형적 전기화학 전기는, 예를 들면, 저장 구조체, 집전기, 외부 회로 등을 포함할 수도 있다. 당업자는, 도면에 도시되고 본원에 기재된 일반적이고 개략적인 배열로 사용될 수 있는 많은 배열을 잘 알 것이다.It should be understood that the electrochemical cells and components shown in the figures are exemplary, and the orientation of the components may vary. Also, non-planar arrangements, arrangements with fractions of materials different from those shown, and other alternative arrangements are useful in connection with certain embodiments of the present invention. Typical electrochemical electricity may also include, for example, storage structures, current collectors, external circuits, and the like. Those skilled in the art will be aware of many arrangements that can be used with the general and schematic arrangements shown in the drawings and described herein.

본원에서, 층이 또 다른 층 "상"에, 이의 "상부 상에", 또는 이와 "인접한" 것으로 기재되는 경우, 이는 직접적으로 상기 층 상에, 이의 상부 상에 또는 이와 인접하게 존재할 수 있거나, 간층(intervening layer)이 또한 존재할 수도 있다. "직접적으로 또 다른 층 상에", "또 다른 층에 직접적으로 인접하게" 또는 "또 다른 층과 접촉되게" 존재하는 층은 간층이 존재하지 않는다. 유사하게, 2개의 층 "사이에" 위치하는 층은, 2개의 층 사이에 직접적으로 존재할 수 있거나, 또는 간층이 존재할 수도 있다.Where a layer is described herein as being “on,” “on,” or “adjacent to,” another layer, it may be directly on, on top of, or adjacent to, said layer; An intervening layer may also be present. A layer that is “directly on another layer”, “directly adjacent to another layer” or “in contact with another layer” has no interlayer present. Similarly, a layer located “between” two layers may exist directly between the two layers, or an interlayer may exist.

하기의 실시예는 본 발명의 특정 실시양태를 예시하는 것으로 의도되지만, 본 발명의 전체 범주를 예시하는 것은 아니다.The following examples are intended to illustrate specific embodiments of the invention, but do not illustrate the full scope of the invention.

실시예Example

실시예Example 1A 1A

이 실시예는, 층간 접착 강도를 갖는, 자립형 세퍼레이터(예컨대, 이온 전도체-세퍼레이터 복합체) 상의 이온 전도체 층의 제조 방법을 기술한다. This example describes a method of making an ion conductor layer on a freestanding separator (eg, an ion conductor-separator composite) with interlayer adhesive strength.

100 nm 내지 200 nm의 공극 직경을 갖는 상업용 세퍼레이터 셀가드(Celgard) 2400를 기재로서 사용하였다. 세퍼레이터를, 아르곤 가스의 존재 하에 10-3 Torr의 압력, 50 W 출력으로 챔버에서 애노드 층 이온 공급원을 사용하여 플라즈마로 전처리하였다. 7 분 동안 처리를 지속하였다. 플라즈마 처리 전에, 세퍼레이터의 표면 에너지는 32 dyne이었다. 플라즈마 처리 후 세퍼레이터 표면 에너지는 다인 펜 세트(dyne pen set)로 측정 시 70 dyne보다 컸다. A commercial separator Celgard 2400 having a pore diameter of 100 nm to 200 nm was used as a substrate. The separator was pretreated with plasma using an anode layer ion source in a chamber at a pressure of 10 −3 Torr, 50 W output in the presence of argon gas. Treatment was continued for 7 minutes. Before plasma treatment, the surface energy of the separator was 32 dyne. The separator surface energy after plasma treatment was greater than 70 dyne as measured with a dyne pen set .

다음, 이온 전도체인 리튬 옥시설파이드의 층을 e-빔 증발에 의해 세퍼레이터에 침착시켜 이온 전도체 층을 형성하였다. 리튬 옥시설파이드 층의 주요 성분은 리튬, 규소, 황 및 산소(Si:O = 1.5:1, S:O = 4.5:1, 및 S:Si = 3.1:1의 비를 가짐)였다. 3종의 실험에서, 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이 이온 전도체 층의 두께는 약 600 내지 800 nm 범위였다. 이들 실험에서 이온 전도체 층의 두께 : 세퍼레이터의 공극 직경의 비는 약 3:1 내지 8:1 범위였다. Next, a layer of lithium oxysulfide, which is an ion conductor, was deposited on a separator by e-beam evaporation to form an ion conductor layer. The main components of the lithium oxysulfide layer were lithium, silicon, sulfur and oxygen (with ratios of Si:O = 1.5:1, S:O = 4.5:1, and S:Si = 3.1:1). In three experiments, the thickness of the ion conductor layer ranged from about 600 to 800 nm, as shown in Figs. 4a to 4c. The ratio of the thickness of the ion conductor layer to the pore diameter of the separator in these experiments ranged from about 3:1 to 8:1.

도 4a, 4b 및 4c는 상업용 세퍼레이터 상의 이온 전도체(리튬 옥시설파이드) 코팅을 보여주는 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다. 도 4a는 25-마이크론-두께 세퍼레이터 상의 리튬 옥시설파이드 코팅의 SEM이다. 리튬 옥시설파이드 층의 두께는 610 nm이었다. 도 4b는 25 마이크론 세퍼레이터 상의 리튬 옥시설파이드 층의 SEM이다. 리튬 옥시설파이드 층의 두께는 661 nm이었다. 도 4c는 세퍼레이터 물질 상의 800 nm 두께 리튬 옥시설파이드 코팅의 SEM 단면 이미지이다. 이들 이미지는 또한 리튬 옥시설파이드 물질이 세퍼레이터의 공극을 관통하지 않았음을 보여 준다.4A, 4B and 4C are scanning electron microscope (SEM) images showing an ion conductor (lithium oxysulfide) coating on a commercial separator. 4A is a SEM of a lithium oxysulfide coating on a 25-micron-thick separator. The thickness of the lithium oxysulfide layer was 610 nm. 4B is a SEM of a lithium oxysulfide layer on a 25 micron separator. The thickness of the lithium oxysulfide layer was 661 nm. 4C is an SEM cross-sectional image of an 800 nm thick lithium oxysulfide coating on a separator material. These images also show that the lithium oxysulfide material did not penetrate the pores of the separator.

테이프 시험은, 이온 전도체 층과 세퍼레이터 사이의 접착성을 결정하기 위해 표준 ASTM-D3359-02에 따라 수행되었다. 이 시험은, 이온 전도체가 세퍼레이터에 잘 결합되었고, 세퍼레이터로부터 박리되지 않음을 입증하였다.The tape test was performed according to standard ASTM-D3359-02 to determine the adhesion between the ion conductor layer and the separator. This test demonstrated that the ion conductor was well bonded to the separator and did not peel off from the separator.

이 실시예는, 전처리 단계가 없는 경우(비교예 1)와 비교 시에 이온 전도체(리튬 옥시설파이드) 층의 침착 이전에 플라즈마로 세퍼레이터 표면을 전처리하는 것은 세퍼레이터에 대한 이온 전도체 층의 접착성을 증진시켰음을 보여 준다.This example shows that pretreatment of the separator surface with plasma prior to deposition of the ion conductor (lithium oxysulfide) layer improves the adhesion of the ion conductor layer to the separator compared to the case without the pretreatment step (Comparative Example 1). show that it was done

실시예Example 1B 1B

리튬 옥시설파이드 이온 전도체 층이 1 마이크론의 두께를 갖는 것을 제외하고는, 실시예 1A에 기재된 것과 유사한 이온 전도체-세퍼레이터 복합체를 제조하였다. 세퍼레이터 표면을 리튬 옥시설파이드 층의 침착 이전에 실시예 1A에 기재된 바와 같이 플라즈마로 처리하였다.An ion conductor-separator composite similar to that described in Example 1A was prepared, except that the lithium oxysulfide ion conductor layer had a thickness of 1 micron. The separator surface was treated with plasma as described in Example 1A prior to deposition of the lithium oxysulfide layer.

최종 복합체는, 3 kPa(TAPPI 표준 T 536 om-12)의 차압으로 수행되는 걸리 시험으로 측정 시, 비처리된 세퍼레이터(즉, 리튬 옥시설파이드 층의 침착 이전에 플라즈마로 처리되지 않은 세퍼레이터, 비교예 1)에 비해 17 배 감소된 공기 투과 속도를 보였다. 최종 복합체는, 비처리된 세퍼레이터(비교예 1)를 포함하는 복합체에서의 약 9.7 분에 비해 168 분 초과의 공기 투과 시간을 가졌다. The final composite, as measured by the Gurley test performed at a differential pressure of 3 kPa (TAPPI standard T 536 om-12), was an untreated separator (i.e., a separator not treated with plasma prior to deposition of a lithium oxysulfide layer, Comparative Example) 1) showed a 17-fold reduced air permeation rate compared to 1). The final composite had an air permeation time of greater than 168 minutes compared to about 9.7 minutes in the composite including the untreated separator (Comparative Example 1).

이 실시예는, 이온 전도체(리튬 옥시설파이드) 층의 침착 이전에 플라즈마로 세퍼레이터 표면을 전처리하는 것은 비처리된 세퍼레이터(비교예 1)를 포함하는 복합체에 비해 복합체의 공기 투과 시간을 증가시킴을 보여 준다.This example shows that pretreatment of the separator surface with plasma prior to deposition of the ion conductor (lithium oxysulfide) layer increases the air permeation time of the composite compared to composites comprising an untreated separator (Comparative Example 1) give.

비교예comparative example 1 One

다음은 세퍼레이터에 불량하게 결합된 이온 전도체 층을 기재하는 비교예이다.The following is a comparative example describing an ion conductor layer poorly bonded to a separator.

세퍼레이터를, 이온 전도체 층의 침착 이전에 플라즈마로 처리하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 방법을 이온 전도체-세퍼레이터 복합체의 제조에 이용하였다. The method described in Example 1 was used for the preparation of the ion conductor-separator composite, except that the separator was not treated with plasma prior to deposition of the ion conductor layer.

이온 전도체-세퍼레이터 복합체는 테이프 시험을 통과하지 못했으며, 이는 세퍼레이터로부터 이온 전도체 층의 박리를 입증한다. The ion conductor-separator composite did not pass the tape test, demonstrating delamination of the ion conductor layer from the separator.

1 마이크론의 세라믹 두께에서, 공기 투과 시간은 걸리 시험(TAPPI 표준 T 536 om-12)으로 측정 시 9.7 분 미만이었다.At a ceramic thickness of 1 micron, the air permeation time was less than 9.7 minutes as measured by the Gurley test (TAPPI standard T 536 om-12).

실시예Example 2 2

이 실시예는 리튬-황 전기화학 전지에서 실시예 1의 이온 전도체-세퍼레이터 복합체의 제조 및 성능을 보여 준다.This example demonstrates the preparation and performance of the ion conductor-separator composite of Example 1 in a lithium-sulfur electrochemical cell.

실시예 1의 이온 전도체(리튬 옥시설파이드)-코팅된 세퍼레이터를, 금속성 리튬(리튬 옥시설파이드 층의 상부 상에 침착된 약 25 마이크론의 리튬)으로 진공 코팅하였다. 리튬 애노드를 리튬 옥시설파이드-코팅된 세퍼레이터로 보호하였고, 리튬-황 배터리 전지로 조립하였다. The ion conductor (lithium oxysulfide)-coated separator of Example 1 was vacuum coated with metallic lithium (about 25 microns of lithium deposited on top of a layer of lithium oxysulfide). The lithium anode was protected with a lithium oxysulfide-coated separator and assembled into a lithium-sulfur battery cell.

캐쏘드는 55 중량%의 황, 40 중량%의 카본 블랙 및 5 중량%의 폴리비닐 알코올 결합제를 함유하였다. 황 표면 담지량은 약 2 mg/cm2이었다. The cathode contained 55 wt% sulfur, 40 wt% carbon black and 5 wt% polyvinyl alcohol binder. The sulfur surface loading amount was about 2 mg/cm 2 .

활성 전극은 16.57 cm2의 총 표면적을 커버하였다. 리튬-황 배터리 전지를, 16 중량%의 리튬 비스(트라이플루오로메탄설폰일)이미드, 42 중량%의 다이메톡시에탄, 및 42 중량%의 1,3-다이옥솔란 용매를 함유하는 전해질로 충전시켰다. The active electrode covered a total surface area of 16.57 cm 2 . A lithium-sulfur battery cell was prepared with an electrolyte containing 16% by weight lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 42% by weight dimethoxyethane, and 42% by weight 1,3-dioxolane solvent. was charged.

리튬-황 배터리 전지를 3 mA에서 1.7 V로 방전시키고, 3 mA에서 충전시켰다. 리튬-황 배터리 전지가 2.5 V에 도달한 때 또는 전지가 2.5 V에 도달할 수 없는 경우 충전 시간이 15 시간을 초과한 때에 충전을 종결하였다.Lithium-sulfur battery The cell was discharged to 1.7 V at 3 mA and charged at 3 mA. Charging was terminated when the lithium-sulfur battery cell reached 2.5 V or when the charging time exceeded 15 hours when the cell could not reach 2.5 V.

리튬-황 배터리 전지를 30회에 걸쳐 사이클링하였고, 매 사이클에서 2.5 V에 도달하는 능력을 보였고, 이는, 리튬 옥시설파이드 층이 폴리설파이드 셔틀(shuttle)로부터 리튬을 보호하는 장벽으로서 잘 기능하였음을 입증하였다. 10회 충전 사이클 후에 분해검사된 다중 전지는 리튬 옥시설파이드 층에서 어떠한 결함도 보이지 않았고, 리튬 옥시설파이드 층의 상부 상에 리튬 금속 침착의 증거가 보이지 않았다. 모든 리튬은 리튬 옥시설파이드 층 아래에 침착되었다. 분해검사는 또한, 사이클링 후에 세라믹 및 세퍼레이터 물질은 잘 결합되어 있음을 보여 주었다.The lithium-sulfur battery cell was cycled 30 times and showed the ability to reach 2.5 V in each cycle, demonstrating that the lithium oxysulfide layer functioned well as a barrier protecting lithium from polysulfide shuttles. did. Multiple cells overhauled after 10 charge cycles showed no defects in the lithium oxysulfide layer and no evidence of lithium metal deposition on top of the lithium oxysulfide layer. All lithium was deposited under the lithium oxysulfide layer. Overhaul also showed that the ceramic and separator materials were well bonded after cycling.

비교예comparative example 2 2

이 실시예는, 리튬-황 전기화학 전지에서 비교예 1의 이온 전도체-세퍼레이터 복합체의 제조 및 성능을 보여 준다.This example shows the preparation and performance of the ion conductor-separator composite of Comparative Example 1 in a lithium-sulfur electrochemical cell.

비교예 1의 이온 전도체-세퍼레이터 복합체의 상부 상에 진공 침착된 리튬을 갖는 애노드를 리튬-황 배터리 전지에 조립하였고, 실시예 2에 기재된 바와 유사하게 시험하였다.An anode with lithium vacuum deposited on top of the ion conductor-separator composite of Comparative Example 1 was assembled into a lithium-sulfur battery cell and tested similarly as described in Example 2.

이들 전지는 2.5 V로 30 사이클에 걸쳐 충전될 수 없었다. 대신, 충전 시간은 15 시간 이상이었고, 2.37 내지 2.41 V에서 충전 전압을 레벨링하였다. 이들 결과는, 리튬이 사이클링 동안 폴리설파이드 셔틀로부터 보호되지 않았음을 입증하였다. 분해검사는, 리튬 옥시설파이드 층이 결함을 갖고, 리튬의 상당 부분(표면적의 약 20 내지 30%)이 이 층의 상부 상에 침착되었음을 보여 주었다.These cells could not be charged over 30 cycles to 2.5 V. Instead, the charging time was 15 hours or longer, and the charging voltage was leveled at 2.37 to 2.41 V. These results demonstrated that lithium was not protected from polysulfide shuttles during cycling. Overhaul showed that the lithium oxysulfide layer was defective and a significant portion of lithium (about 20-30% of the surface area) was deposited on top of this layer.

실시예Example 3 3

이 실시예는, 공기 투과 시험(걸리 시험)에 의해 입증될 수 있는, 유체에 대한 장벽으로서 작용하는 이온 전도체-세퍼레이터 복합체(실시예 1에 기재된 방법과 유사하게 제조됨)의 능력을 보여 준다. 각각의 샘플은, 0.1 마이크론 내지 0.5 마이크론 범위의 공극 직경을 갖는 25 마이크론 두께 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터의 상부 상의 리튬 옥시설파이드 코팅을 포함하였다. 샘플 1, 2, 3, 및 6은, 리튬 옥시설파이드 첨가 전에 플라즈마 처리된 세퍼레이터를 포함하였다. 샘플 4, 5, 및 7은 리튬 옥시설파이드 층의 첨가 전에 비처리된 세퍼레이터를 포함하였다.This example demonstrates the ability of an ion conductor-separator composite (prepared similarly to the method described in Example 1) to act as a barrier to fluid, as demonstrated by the air permeation test (Gurley test). Each sample included a 25 micron thick separator with a pore diameter ranging from 0.1 microns to 0.5 microns, and a lithium oxysulfide coating on top of the separator. Samples 1, 2, 3, and 6 included separators that were plasma treated prior to lithium oxysulfide addition. Samples 4, 5, and 7 included untreated separators prior to addition of the lithium oxysulfide layer.

도 5는, 플라즈마 처리된 및 비처리된 세퍼레이터를 포함하는 복합체에서의 공기 투과 시간 대 이온 전도체 층 두께를 도시하는 그래프이다. 상기 도면은, 리튬 옥시설파이드 층의 부가 이전에 비처리된 세퍼레이터를 포함하는 복합체(샘플 4, 5, 및 7)에 비해, 리튬 옥시설파이드 코팅 적용 전에 세퍼레이터의 플라즈마 처리(즉, 샘플 1, 2, 3, 및 6)에 의한 공기 투과 시간에서의 개선을 보여 준다.5 is a graph depicting air permeation time versus ion conductor layer thickness in composites comprising plasma treated and untreated separators. The figure shows that plasma treatment of the separator prior to application of the lithium oxysulfide coating (i.e., samples 1, 2, 3, and 6) show the improvement in air permeation time.

이 실시예는, 옥시설파이드 층의 침착 이전에 세퍼레이터 표면을 플라즈마 처리하는 경우 일반적으로 공기 투과 시간이 증가하고, 이는 옥시설파이드 층과 세퍼레이터 사이의 충분한 결합을 증진시킴을 보여 준다. 플라즈마 처리의 부재는 옥시설파이드 층의 박리를 초래하고, 따라서 더욱 불량한 장벽 특성을 초래한다. 이 실시예는 또한 최고 공기 투과 시간(따라서, 증진된 장벽 특성)은, 0.5 마이크론 두께를 갖는 리튬 옥시설파이드 층(샘플 1)에 의해 달성되었음을 보여 준다. 이 데이터는, 일반적으로 보다 얇은 리튬 옥시설파이드 층은 보다 두꺼운 리튬 옥시설파이드 층을 갖는 복합체에 비해 개선된 장벽 특성을 제공하고, 얇은 리튬 옥시설파이드 층 및 플라즈마 처리된 세퍼레이터의 조합은 최고 공기 투과 시간(따라서, 증진된 장벽 특성)을 보임을 암시한다.This example shows that plasma treatment of the separator surface prior to deposition of the oxysulfide layer generally increases the air permeation time, which promotes sufficient bonding between the oxysulfide layer and the separator. Absence of plasma treatment results in delamination of the oxysulfide layer and thus poorer barrier properties. This example also shows that the highest air permeation time (and thus enhanced barrier properties) was achieved with a lithium oxysulfide layer having a thickness of 0.5 microns (Sample 1). These data show that, in general, thinner lithium oxysulfide layers provide improved barrier properties compared to composites with thicker lithium oxysulfide layers, and that the combination of a thin lithium oxysulfide layer and plasma treated separator has the highest air permeation time ( Therefore, it suggests that it exhibits enhanced barrier properties).

본 발명의 몇몇의 실시양태가 본원에서 기술되고 설명되어 있으며, 당분야의 숙련자들이라면, 상기 기능을 수행하고/수행하거나 본원에서 기술된 결과 및/또는 장점들 중 하나 이상을 수득하기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조물을 용이하게 생각할 수 있을 것이고, 이러한 변형 및/또는 개조 각각은 본 발명의 범주에 속하는 것으로 여겨진다. 보다 일반적으로, 당업계의 숙련자들이라면, 본원에서 기술된 모든 파라미터, 치수, 물질, 및 구성이 예시적인 것으로 해석된다는 점, 및/또는 실제 파라미터, 치수, 물질 및/또는 구성은, 본 발명의 교시가 사용되는 구체적인 적용례 또는 적용례들에 좌우될 것이라는 점을 용이하게 인식할 것이다. 당업계의 숙련자라면, 단지 일상적인 실험을 사용하여, 본원에서 기술된 발명의 특정 실시양태의 많은 균등물을 인식하거나 예상할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시양태는 단지 예로서 제시되었다는 점, 및 첨부된 특허청구범위 및 그의 균등물의 범주에서, 본 발명은 구체적으로 기술되고 청구된 것과 다르게 실행될 수도 있음이 이해되어야만 한다. 본 발명은, 각각 개별적인 특징부, 시스템, 제품, 물질 및/또는 본원에 기술된 방법에 관한 것이다. 추가로, 2개 이상의 이러한 특징부, 시스템, 제품, 물질 및/또는 방법들의 임의의 조합은, 이러한 특징부, 시스템, 제품, 물질 및/또는 방법이 상호적으로 모순되지 않는 한, 본 발명의 범주에 포함된다. Several embodiments of the present invention have been described and described herein, and various other means for those skilled in the art to perform the above function and/or obtain one or more of the results and/or advantages described herein and/or structures, each such variation and/or adaptation is considered to be within the scope of the present invention. More generally, those skilled in the art will appreciate that all parameters, dimensions, materials, and configurations described herein are to be construed as illustrative, and/or that the actual parameters, dimensions, materials, and/or configurations are not consistent with the teachings of the present invention. It will be readily appreciated that will depend on the specific application or applications being used. Those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Accordingly, it is to be understood that the foregoing embodiments have been presented by way of example only, and that, within the scope of the appended claims and their equivalents, the invention may be practiced otherwise than as specifically described and claimed. The present invention is directed to each individual feature, system, article, material, and/or method described herein. Additionally, any combination of two or more such features, systems, articles, materials, and/or methods is a feature of the invention unless such features, systems, articles, materials and/or methods are mutually inconsistent. included in the category.

명세서 및 특허청구범위에서 본원에 사용된 단수형은, 반대로 명백하게 언급되지 않는 한, "하나 이상"을 의미하는 것으로 이해되어야만 한다. As used herein in the specification and claims, the singular, unless expressly stated to the contrary, should be understood to mean "one or more."

명세서 및 특허청구범위에서 본원에 사용된 "및/또는"이라는 어구는, 서로 연결된 요소들의 "양쪽 중 하나 또는 둘 다", 즉 일부 경우에 공동으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해되어야만 한다. 명시적으로 달리 기재되지 않는 한, 구체적으로 확인된 요소와 관련되거나 관련되지 않거나, "및/또는" 어구에 의해 구체적으로 확인된 요소 이외의 다른 요소들이 선택적으로 존재할 수도 있다. 따라서, 비-제한적인 예로서, 하나의 실시양태에서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용되는 경우, "A 및/또는 B"는, B 없이 A(B 이외의 요소를 선택적으로 포함함), 다른 실시양태에서는, A 없이 B(A 이외의 요소를 선택적으로 포함함), 심지어 또 다른 실시양태에서는, A 및 B 둘 다(선택적으로 다른 요소들을 포함함) 등을 지칭할 수 있다. As used herein in the specification and claims, the phrase “and/or” refers to “one or both” of elements connected to each other, i.e., elements that are co-existing in some cases and separate in other cases. should be understood to mean Unless expressly stated otherwise, elements other than those specifically identified by the phrase "and/or" may optionally be present with or not related to the specifically identified element. Thus, as a non-limiting example, in one embodiment, when used in conjunction with an open language such as "comprising," "A and/or B" means A without B (optionally including elements other than B). ), in other embodiments, without A (optionally including elements other than A), even in yet another embodiment, both A and B (optionally including other elements), etc. .

명세서 및 특허청구범위에서 본원에 사용되는 경우, "또는"이란, 앞에서 정의한 바와 같은 "및/또는"와 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 목록에서 항목들이 분리되는 경우, "또는" 또는 "및/또는"은 포괄적인 것으로 해석될 수 있다. 즉, 여러 개의 또는 목록의 요소들 중 하나 이상을 포함하지만, 여러 개의 또는 목록의 요소 중 하나 초과 및 선택적으로 열거되지 않은 부가적인 물품까지 포함할 수 있는 것으로 해석될 것이다. 대조적으로 명백하게 언급하는 용어 "유일한", 예를 들어 " 중 단지 하나", "중 정확하게 하나", 또는 특허청구범위에 사용되는 경우, "으로 이루어진"은, 여러 개의 또는 목록의 요소들 중 정확하게 하나의 요소를 포함함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용되는 "또는"이라는 용어가, 예를 들어 "둘 중 하나", "중 하나", "중 단지 하나", 또는 "중 정확하게 하나"와 같은 배타적인 용어 앞에 사용되는 경우, 배타적인 대안을 의미하는 것으로만 해석될 것이다(즉, 하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 다는 안됨). 특허청구범위에 사용되는 경우, "~으로 본질적으로 이루어진다"는 특허법 분야에 사용되는 통상적인 의미를 갖는다.As used herein in the specification and claims, "or" should be understood to have the same meaning as "and/or" as previously defined. For example, "or" or "and/or" may be construed as inclusive when items in a list are separated. That is, it will be construed that it may include one or more of several or list elements, but may include more than one of several or list elements and optionally additional items not listed. In contrast, the expressly referring term "only", eg, "only one of," "exactly one of," or, when used in a claim, "consisting of," means several or exactly one of the elements of the list. will refer to including the elements of In general, when the term "or" as used herein is used before an exclusive term such as, for example, "one of", "one of", "only one of", or "exactly one of", It shall only be construed to mean an exclusive alternative (ie, one or the other, but not both). When used in the claims, "consisting essentially of" has its ordinary meaning in the field of patent law.

본원에 명세서 및 특허청구범위에서 사용될 때, 하나 이상의 요소들의 목록과 관련하여 "하나 이상"이라는 어구는, 요소의 목록에서 요소들 중 하나 이상으로부터 선택된 하나 이상의 요소를 의미하고, 필수적이지는 않지만, 요소의 목록 중 요소의 임의의 조합을 배제하지 않고 요소들의 목록 중에 구체적으로 열거된 모든 요소 및 각각의 요소들 중 하나 이상을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 상기 정의는 또한, 구체적으로 확인된 요소들과 관련되거나 관련되지 않거나, "하나 이상"이라는 어구가 지칭하는 요소의 목록에서 구체적으로 확인되는 요소 이외에 요소들이 선택적으로 존재할 수도 있음을 허용한다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및 B 중 하나 이상"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 하나 이상", 또는 동등하게, "A 및/또는 B 중 하나 ")은, 하나의 실시양태에서, 어떠한 B도 존재하지 않으면서(선택적으로 B 이외의 요소를 포함함), 하나 초과를 선택적으로 포함하는, 하나 이상의 A를 지칭하거나; 또 다른 실시양태에서, 어떠한 A도 존재하지 않으면서(선택적으로 A 이외의 요소를 포함함), 하나 초과를 선택적으로 포함하는, 하나 이상의 B를 지칭하거나; 또 다른 실시양태에서, 하나 초과를 선택적으로 포함하는, 하나 이상의 A 및 하나 초과를 선택적으로 포함하는 하나 이상의 B(선택적으로, 다른 요소를 포함함)를 지칭할 수 있다. As used herein in the specification and claims, the phrase “one or more” in reference to a list of one or more elements means, but not necessarily, one or more elements selected from one or more of the elements in the list of elements; It is to be understood that the list of elements does not exclude any combination of elements, but includes all elements specifically recited in the list of elements and one or more of each element. The above definition also permits that elements may optionally be present other than those specifically identified in the list of elements to which the phrase "one or more" refers, with or without related to the specifically identified elements. Thus, by way of non-limiting example, “one or more of A and B” (or equivalently, “one or more of A or B”, or equivalently, “one of A and/or B”) means that an implementation In an aspect, it refers to one or more As, optionally including more than one, with no B present (optionally including elements other than B); in another embodiment, refers to one or more Bs, optionally including more than one, with no A present (optionally including elements other than A); in another embodiment, one or more A, optionally including more than one, and one or more B, optionally including more than one, optionally including other elements.

특허청구범위 뿐만 아니라 전술한 명세서에서, "포함하는", "비롯한", "동반하는", "갖는", "함유하는", "포괄하는", "보유하는" 등의 모든 전환 어구(transitional phrase)는, 개방형으로, 즉 이로서 한정하는 것이 아니라 이를 포함하는 것으로 이해되어야만 한다. 단지 "으로 이루어진" 및 "으로 본질적으로 이루어진"과 같은 전환 어구는, 미국 특허청의 특허심사 지침서 섹션 2111.03.에서 설명하는 바와 같이, 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 어구일 수 있다.In the claims as well as the foregoing specification, all transitional phrases such as "comprising", "including", "accompanying", "having", "comprising", "including", "having", etc. ) is to be understood in an open-ended, ie, inclusive, but not limiting thereof. Conversion phrases such as "consisting essentially of" and "consisting essentially of" may be closed or semi-closed phrases, respectively, as described in section 2111.03. of the Patent Examination Guidelines of the United States Patent and Trademark Office.

Claims (44)

전기활성 물질로서 리튬을 포함하는 제 1 전극;
제 2 전극; 및
제 1 전극과 제 2 전극 사이에 위치하는 복합체
를 포함하는 전기화학 전지로서,
상기 복합체가,
평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층
을 포함하고,
상기 이온 전도체 층이 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖고,
상기 이온 전도체 층이 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 이온 전도체 층이 0.001:1 내지 1.5:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하는, 전기화학 전지.
a first electrode comprising lithium as an electroactive material;
a second electrode; and
Composite positioned between the first electrode and the second electrode
As an electrochemical cell comprising a,
The complex is
a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least 10 4 Ohm-meters; and
Ion conductor layer bonded to the separator
including,
the ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 -6 S/cm,
wherein the ion conductor layer comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20% by weight, and/or wherein the ion conductor layer contains an oxygen atom to a sulfur atom (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1. An electrochemical cell comprising lithium oxysulfide having a ratio.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 옥시설파이드가 0.01:1 내지 0.25:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the lithium oxysulfide has an atomic ratio of oxygen atoms to sulfur atoms (O:S) in the range of 0.01:1 to 0.25:1.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층이, 하나 초과의 이온 전도체 층을 포함하는 다층화된 구조체의 일부인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer comprising lithium oxysulfide is part of a multilayered structure comprising more than one ion conductor layer.
제 3 항에 있어서,
상기 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층이 상이한 물질로 형성되는, 전기화학 전지.
4. The method of claim 3,
wherein at least two layers of the multilayered structure are formed of different materials.
제 3 항에 있어서,
상기 다층화된 구조체 중 2개 이상의 층이 동일한 물질로 형성되는, 전기화학 전지.
4. The method of claim 3,
wherein at least two layers of the multilayered structure are formed of the same material.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 옥시설파이드를 포함하는 이온 전도체 층이 제 1 전극 및 세퍼레이터와 각각 직접 접촉되는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer comprising lithium oxysulfide is in direct contact with the first electrode and the separator, respectively.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 5 마이크론 내지 40 마이크론의 두께를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator has a thickness of 5 microns to 40 microns.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 1010 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator has a bulk electronic resistivity of at least 10 10 Ohm-meters.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 1010 Ohm-미터 내지 1015 Ohm-미터의 벌크 전자 저항률을 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator has a bulk electronic resistivity of 10 10 Ohm-meter to 10 15 Ohm-meter.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 고체형 중합체 세퍼레이터인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
The electrochemical cell of claim 1, wherein the separator is a solid polymer separator.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가, 세라믹 또는 유리질/세라믹 물질을 포함하는 충전제와 중합체 결합제의 혼합물을 포함하는 고체인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator is a solid comprising a mixture of a polymeric binder and a filler comprising a ceramic or glassy/ceramic material.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 폴리(n-펜텐-2), 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드(예컨대, 폴리아마이드(나일론), 폴리(ε-카프로락탐)(나일론 6), 폴리(헥사메틸렌 아디프아마이드)(나일론 66)), 폴리이미드(예컨대, 폴리니트릴, 및 폴리(피로멜리트이미드-1,4-다이페닐 에터)(캡톤(Kapton)(등록상표))(노멕스(NOMEX)(등록상표))(케블라(KEVLAR)(등록상표))), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
The separator is poly(n-pentene-2), polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide (eg, polyamide (nylon), poly(ε-caprolactam) (nylon 6), poly(hexamethylene adip) amide) (nylon 66)), polyimides (such as polynitrile, and poly(pyromellitimide-1,4-diphenyl ether) (Kapton®) (NOMEX® registered Trademark)) (KEVLAR(R))), polyether ether ketone (PEEK), and combinations thereof.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체가, 세퍼레이터의 표면 상에 이온 전도체 층을 침착시키기 전에 플라즈마로 세퍼레이터의 표면을 처리함에 의해 형성되는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the composite is formed by treating the surface of the separator with a plasma prior to depositing an ion conductor layer on the surface of the separator.
제 1 항에 있어서,
상기 리튬 옥시설파이드가 화학식 x(yLi2S+zLi2O)+MS2(상기 식에서, M은 Si, Ge, 또는 Sn이다)을 가지며, 이때 y+z=1이고, x는 0.5 내지 3일 수 있는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
The lithium oxysulfide has the formula x(yLi 2 S+zLi 2 O)+MS 2 (wherein M is Si, Ge, or Sn), wherein y+z=1 and x is 0.5 to 3 days capable of electrochemical cells.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 이온 전도체 층 중 0 중량% 내지 30 중량% 범위의 유리-형성 첨가제를 포함하는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer comprises a glass-forming additive in the range of 0% to 30% by weight of the ion conductor layer.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 하나 이상의 리튬 염을 포함하는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer comprises one or more lithium salts.
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 리튬 염이 LiI, LiBr, LiCl, Li2CO3, 또는 Li2SO4인, 전기화학 전지.
17. The method of claim 16,
wherein the at least one lithium salt is LiI, LiBr, LiCl, Li 2 CO 3 , or Li 2 SO 4 .
제 16 항에 있어서,
상기 하나 이상의 리튬 염이 0 몰% 내지 50 몰% 범위로 이온 전도체 층에 첨가되는, 전기화학 전지.
17. The method of claim 16,
wherein the at least one lithium salt is added to the ion conductor layer in the range of 0 mol % to 50 mol %.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 5 마이크론 이하의 평균 공극 크기를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator has an average pore size of 5 microns or less.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터가 0.5 마이크론 이하의 평균 공극 크기를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the separator has an average pore size of 0.5 microns or less.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 2 마이크론 이하의 두께를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer has a thickness of 2 microns or less.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 800 nm 이하의 두께를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
and the ion conductor layer has a thickness of 800 nm or less.
제 1 항에 있어서,
상기 복합체가 25℃에서 10-5 S/cm 이상의 리튬 이온 전도도를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
The electrochemical cell, wherein the composite has a lithium ion conductivity of at least 10 -5 S/cm at 25°C.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층의 두께 : 상기 세퍼레이터의 평균 공극 크기의 비가 적어도 1.1:1 인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ratio of the thickness of the ion conductor layer to the average pore size of the separator is at least 1.1:1.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터와 상기 이온 전도체 층 사이의 접착 강도가 350 N/m 이상인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
An electrochemical cell, wherein the adhesive strength between the separator and the ion conductor layer is at least 350 N/m.
제 1 항에 있어서,
상기 세퍼레이터와 상기 이온 전도체 층 사이의 접착 강도가 표준 ASTM D3359-02에 따른 테이프 시험을 통과하는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the adhesive strength between the separator and the ion conductor layer passes a tape test according to standard ASTM D3359-02.
제 1 항에 있어서,
제 1 전기활성 물질이 리튬 금속 및/또는 리튬 합금을 포함하는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
An electrochemical cell, wherein the first electroactive material comprises lithium metal and/or a lithium alloy.
제 27 항에 있어서,
상기 제 2 전극이 제 2 전기활성 물질로서 황을 포함하는, 전기화학 전지.
28. The method of claim 27,
wherein the second electrode comprises sulfur as the second electroactive material.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 전자 빔 증발법 또는 스퍼터링 공정에 의해 세퍼레이터 상에 침착되는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer is deposited on the separator by an electron beam evaporation method or a sputtering process.
리튬을 포함하는 제 1 전극;
황을 포함하는 제 2 전극;
상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배열된 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합된 고체 이온 전도체
를 포함하는, 리튬-황 전지인 전기화학 전지로서, 이때
상기 고체 이온 전도체가 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 고체 이온 전도체가 0.001:1 내지 1.5:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하는, 전기화학 전지.
a first electrode comprising lithium;
a second electrode comprising sulfur;
a separator arranged between the first electrode and the second electrode; and
a solid ionic conductor in contact with and/or bonded to the separator
An electrochemical cell that is a lithium-sulfur cell comprising:
wherein the solid ionic conductor comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20% by weight, and/or wherein the solid ionic conductor is an oxygen atom to a sulfur atom (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1. An electrochemical cell comprising lithium oxysulfide having a ratio.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 0.5 nm 내지 1 마이크론의 RMS 표면 조도를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer has an RMS surface roughness between 0.5 nm and 1 micron.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 20 S/cm 미만의 리튬-이온 전도도를 갖는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of less than 20 S/cm.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층이 실질적으로 비-중합체 물질로 형성되는, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
wherein the ion conductor layer is formed substantially of a non-polymeric material.
제 1 항에 있어서,
상기 이온 전도체 층의 두께가, 상기 세퍼레이터의 평균 공극 크기의 1.1 배 이상 및 상기 세퍼레이터의 평균 공극 크기의 20 배 이하인, 전기화학 전지.
The method of claim 1,
and a thickness of the ion conductor layer is at least 1.1 times the average pore size of the separator and 20 times or less the average pore size of the separator.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 전기화학 전지의 제 1 전극과 제 2 전극을 분리시키고, 전기화학 전지 내에 존재하는 전해질과 상기 전기화학 전지의 전극들 중 하나와의 상호작용을 억제하기 위한, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배열될 수 있는 복합체로서,
상기 복합체가,
세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터에 접촉 및/또는 결합된 고체 이온 전도체
를 포함하고,
상기 고체 이온 전도체가 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 고체 이온 전도체가 0.001:1 내지 1.5:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하는, 복합체.
between the first electrode and the second electrode for separating the first and second electrodes of the electrochemical cell and for inhibiting interaction of the electrolyte present in the electrochemical cell with one of the electrodes of the electrochemical cell; As a complex that can be arranged,
The complex is
separator; and
a solid ionic conductor in contact with and/or bonded to the separator
including,
wherein the solid ionic conductor comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20% by weight, and/or wherein the solid ionic conductor is an oxygen atom to a sulfur atom (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1. A composite comprising lithium oxysulfide having a ratio.
전기화학 전지의 제 1 전극과 제 2 전극을 분리시키고, 전기화학 전지 내에 존재하는 전해질과 상기 전기화학 전지의 전극들 중 하나와의 상호작용을 억제하기 위한, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배열될 수 있는 복합체로서,
상기 복합체가,
평균 공극 크기를 갖는 공극을 포함하며 104 Ohm-미터 이상의 벌크 전자 저항률을 갖는 세퍼레이터; 및
상기 세퍼레이터에 결합된 이온 전도체 층
을 포함하고,
상기 이온 전도체 층이 적어도 10-6 S/cm의 리튬-이온 전도도를 갖고,
상기 이온 전도체 층이 0.1 내지 20 중량%의 옥사이드 함량을 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하고/하거나, 상기 이온 전도체 층이 0.001:1 내지 1.5:1 범위의 산소 원자 대 황 원자(O:S)의 원자 비를 갖는 리튬 옥시설파이드를 포함하는, 복합체.
between the first electrode and the second electrode for separating the first and second electrodes of the electrochemical cell and for inhibiting interaction of the electrolyte present in the electrochemical cell with one of the electrodes of the electrochemical cell; As a complex that can be arranged,
The complex is
a separator comprising pores having an average pore size and having a bulk electronic resistivity of at least 10 4 Ohm-meters; and
Ion conductor layer bonded to the separator
including,
the ion conductor layer has a lithium-ion conductivity of at least 10 -6 S/cm,
wherein the ion conductor layer comprises lithium oxysulfide having an oxide content of 0.1 to 20% by weight, and/or wherein the ion conductor layer contains an oxygen atom to a sulfur atom (O:S) in the range of 0.001:1 to 1.5:1. A composite comprising lithium oxysulfide having a ratio.
제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 전기화학 전지의 제조 방법으로서,
상기 세퍼레이터를 제조 또는 제공하는 단계;
상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시키는 단계;
상기 전기화학 전지의 추가의 구성 요소(building element)를 제공하는 단계; 및
상기 전기화학 전지를 조립하는 단계
를 포함하는, 제조 방법.
35. A method for producing an electrochemical cell according to any one of claims 1 to 34, comprising:
manufacturing or providing the separator;
contacting and/or bonding a solid ionic conductor to the separator;
providing further building elements of the electrochemical cell; and
Assembling the electrochemical cell
comprising, a manufacturing method.
제 42 항에 있어서,
상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시키는 단계가, 이온 전도체 물질을 상기 세퍼레이터의 표면 상에 침착시킴에 의해 달성되는, 제조 방법.
43. The method of claim 42,
wherein the step of contacting and/or bonding a solid ionic conductor to the separator is accomplished by depositing an ionic conductor material on a surface of the separator.
제 42 항에 있어서,
상기 세퍼레이터에 고체 이온 전도체를 접촉 및/또는 결합시킴에 의해 수득된 중간체 생성물이, 자립형 구조체(free-standing structure)인 복합체인, 제조 방법.
43. The method of claim 42,
The method according to claim 1, wherein the intermediate product obtained by contacting and/or bonding a solid ionic conductor to the separator is a composite that is a free-standing structure.
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